自动控制课程设计报告书.doc

. . . . .南京工程学院课程设计说明书成绩题 目 铣床切削深度 课 程 名 称 自动控制原理 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 建筑电气及其智能化 班 级 建筑电气111 学 生 姓 名 学 号 设 计 时 间 2013.12.16-2013.12.27 设 计 地 点 工程实践中心8-317 指 导 教 师 李先允 朱建忠 2013 年 12月 南 京 目录任务书.3摘要.7引言.7一、铣床切削深度数学模型1.1 数学模型建立.81.2 系统Matlab仿真模型建立.81.3 系统性能分析.9二、控制器设计2.1 SISO原理.102.2 系统期望值校正.102.3 零极点调整.112.4 讨论.122.5 总结.13三、仿真验证3.1 系统仿真模型建立.133.2 验证结果.143.3 控制效果分析.15四、结语.15参考文献.16附录：硬件调试部分.17南京工程学院课程设计任务书 课 程 名 称 自动控制原理 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 起 止 日 期 指 导 教 师 1课程设计应达到的目的1、通过有刷直流电机速度闭环仿真及实物调试熟悉课程设计的基本流程；2、掌握控制系统的数学建模；3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析；4、掌握频率法校正或根轨迹法校正；5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作；6、学会用MATLAB进行基本仿真。2课程设计题目及要求课程设计题目：有刷直流电机速度闭环仿真研究课程设计要求：1分析系统的工作原理，进行系统总体设计。2选择系统主电路各元部件。3进行触发电路、速度环电路的设计，并完成其单元调试。4构成开环系统，并测其动态特性。5测出各环节的放大倍数及其时间常数。6分析单闭环系统的动态性能。7比较开环时和单闭环时的动态响应。8软件仿真部分构成速度闭环系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足%20%，0.15s, num=1 den=1,5,4,0 GO=tf(num,den) sisotool(GO)在SISO系统中得到阶跃响应图和跟轨迹图，如图1.2和1.3 图1.2 阶跃响应图 图1.3 跟轨迹图1.3 系统性能分析 1.稳定性分析 由单位阶跃响应图1.2可以得到，随着时间的增大，系统趋于1，由此表明该系统是稳定的。 2.各项性能指标分析 由图1.2可得，与预期的指标相比较调节时间远不满足要求，因此需加控制器。 由图1.3可得相角裕度为72.9，超出了实际工程的要求。 二、控制器设计2.1 SISO原理SISO系统设计工具是用于单输入单输出反馈控制系统补偿器设计的图形设计环境，通过该工具，用户可以快速完成以下工作：利用根轨迹方法计算系统的闭环特性、针对开环系统Bode图的系统设计、添加补偿器的零极点、设计超前滞后网络和滤波器、分析闭环系统响应、调整系统幅值或相位裕度等。2.2 系统期望值校正 （1）系统性能指标要求： 超调量为; 调节时间不超过 稳态误差 （2）加入超前校正 此超前校正用来减小调节时间，但超调量增大，其具体变换参照仿真波形，即图1.4和1.5。 图1.4 跟轨迹图 图1.5 阶跃响应图 （3）系统分析 由图1.5可知此时超调量和调节时间均不满足要求还需要调节零极点来使系统的各项性能指标满足要求。 根据稳太误差的要求，确定系统的开环放大系数k=8.2.3 零极点调整通过调整零极点来观察阶跃响应图的超调量和调节时间，同时观察相角裕度使它们同时满足我们所需要的指标即完成的控制器的调整。图1.6为满足要求的跟轨迹图，图1.7为阶跃响应图，图1.8为乃奎斯特曲线，图1.9为调整系数。 图1.6 跟轨迹图 图1.7 阶跃响应图 图1.8 乃奎斯特曲线 图1.9 调整系数2.4 讨论 （1）由校正后的曲线得： 相角裕度=43.7 校正装置稳态误差=12.5%（2）校正前后的对比如表1.1超调量调节时间幅值裕度相角裕度稳态误差校正前010.42672.91校正后25%4.6911.743.712.5% 表1.12.5 总结 此校正为串联超前校正，串联超前校正在补偿了a倍的衰减之后，可以做到稳态误差不变，而全面改善系统的动态性能，即增大相角裕度和幅值穿越频率，从而减小超调量和过渡过程时间。超前校正通常用来改善稳定裕量，超前校正比滞后校正有可能提供更高的穿越频率。比较高的穿越频率意味着比较大的带宽，大的带宽意味着调整时间的减小，快速性的增加。因此，如果需要具有大的带宽，应当采用超前校正。当然，如果存在高频噪音，则不需要大的带宽，因为随着高频增益的增大，系统对噪音信号更加敏感。 超前校正需要有一个附加的增益增量，以补偿超前网络本身的衰减。三、仿真验证Simulink 是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，可以构造出复杂的仿真模型，下面我们用它来验证上面得到的结果3.1 系统仿真模型建立 图1.10 原传递函数模型 图1.11 校正后的函数模型3.2 验证结果 图1.12 原函数单位阶跃响应 图1.13 校正后的单位阶跃响应3.3 控制效果分析比例环节：K越大，控制作用越强，可以减小系统的稳态误差，但会降低系统的相对稳定性；K越小，控制作用越弱，稳态误差增大，但对系统的相对稳定性有利，结合积分环节，消除稳态误差，改善系统的稳态性能。四、结语通过这次的课程设计，再次熟悉我们所学的理论知识，同时为将理论知识运用于实际搭建了一个很好的平台；使课堂学习的理论知识联系实际，进一步掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，同时也学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。本次课程设计主要分成三大块，首先就是我们自己找对象，通过查找资料确定本次课程设计你所要研究的对象，虽说是找研究对象但在这其中还是有很多困难的，比如你所找的对象没法建模，有的过于复杂无法调试，因此选择一个合理的对象十分重要。其次就是利用MATLAB仿真，其中我主要用到的还是SISO系统中的串联校正环节，通过在控制器中增加一个超前校正网络并移动零极点来使系统满总各项性能指标，并通过前后对比来表明校正后系统的稳定性与快速性，在这其中也遇到许多困难，各个零极点与各个指标环环相连，这个指标得到了改善而其他指标就不满足要求，因此我们只有调节到一个适中的点，比如超调量变小了而相角裕度却变大了，两者是不可能同时改善的。最后我还做了一个直流电机转速控制的实物研究，通过加入PI调节器使系统能够达到快速稳定，同时不同的反馈系数影响着输出，不同的反馈系数得到了不同的输出电压从而影响着转速。在这部分中我们研究了3个方面的内容，第一是改变R和C的大小来观察它达到稳态的快慢，第二是在不同R和C的状态下加入扰动，来观察其恢复能力，第三是改变反馈系数来观察电机的转速，并分析其中原理。参考文献【1】薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社,2000.【2】飞思科技产品研发中心.MATLAB 7辅助控制系统设计与仿真.北京:电子工业出版社,2005.【3】胡寿松.自动控制原理.4版.北京:科学技术出版社,2001.【4】白继平，徐德辉. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，2004【5】吴素平，刘飞. 直流电机调速系统模糊控制仿真分析【J】.长沙电力学院学报（自然科学版）.2006.4:34-37.附录：硬件调试部分1、 研究对象： 直流电机转速控制系统2、 设计目的： （1）在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解； （2）掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。3、 实验设备（1）ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置；（2）数字式万用表（3）示波器图3.1直流电机调速系统框图4、设计原理 5、 设计内容及步骤设计的接线图如图3.2所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外，其中的模拟电路由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。这里给出一组参考的设计参数，仅供参考，在实际的实验中需联系实际的控制对象进行参数的试凑，以达到预定的效果。参考的试验参数为：R0=R1=R2=100KW，R3=100KW，R4=1MW，R5=10KW，C1=1mF，Rf/Ri=1。具体的设计步骤如下： （1）先将ACCT-III自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术面板上的 电源船形开关均放在“OFF”状态。 （2）利用ACCT-II实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图3.2所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到15V。图3.2直流电机调速系统框图（）将ACCT-II面板上U1单元的可调电压接到Ug；（）给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd=0，R4的作用是提高PI调节器的动态特性。（）经PI运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到ACCT-III面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端（IN），负极端（IN）接地；（）功率转换的输出接到直流电机的电枢两端；（）转速测量的输出同时接到电压反馈输入端和20V电压表头的输入端，由于转速测量输出的电压为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数b=Rf/Ri，从而调节输出的电压Uo。 （3）连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCT-III实验面板上的电源船形开关，再合上ACCT-II面板上的船形开关，调整PI参数，使系统稳定，同时观测输出电压变化情况。 （4）在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。 （5）改变给定信号，观察系统动态特性。6. 设计所测数据 （1）未加扰动调节占空比所测数据 改变的值，将其分别设置成和，并观察输出曲线。 改变的值，将其分别设置成和，并观察输出曲线。 输出结果见图3.3 （a） , （b）, （c）, （d）, 图3.3设计分析：R和C调节时间2.6s3.5s12s17s由此电路图可以看出C和R构成了一个比例积分环节，比例调节器实质上是一个增益可调的放大器，Kp越大，控制作用越强，可以减小系统的稳态误差，但会降低系统的相对稳定性，Kp越小，控制作用越弱，稳态误差增大，但对稳定性有利。积分控制作用是能够消除稳态误差，但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90度的相角滞后，对系统的稳定性不利。由上表可以看出积分环节的加入对于不同的R和C系统都能达到稳定，而R和C越小，系统也越快达到稳定。（2）加入扰动后所测数据 改变的值，将其分别设置成和，并观察输出曲线。 改变的值，将其分别设置成和，并观察输出曲线。 输出结果见图3.4 （a） , （b）, （c）, （d）, 图3.4设计分析：通过加入扰动的实验再次验证了系统的稳定性，同时也验证了对于加入扰动后系统的快恢复性，其中当R和C越小时恢复的能力也越强。（3） 调节反馈系数反馈系数Rf/Ri输出电压Uo转速0.57.511601576022.6739431.86275分析：由电路图可知，反馈环节直接影响着系统的输出电压，却不