自动控制原理课程设计

江苏科技大学(张家港) 自动控制原理课程设计自动控制原理课程设计报告:大陆和学号： 134533107班级： 13电一班专业：电气工程及其自动化学院：电气信息工程学院科学技术大学2015年9月22江苏科技大学(张家港) 自动控制原理课程设计目录一、设计目的2二、设计任务二三、具体要求2四、设计原理概要34.1校正方式的选择34.2集中串联校正概要34.2.1串联前进校正34.2.2串联滞后修正34.2.3串联滞后-超前修正34.2.4串联校正装置的一般设计步骤3五、设计方案和分析45.1高端系统的频域分析45.1.1原系统的频率响应特性和阶跃响应55.1.2使用Simulink观察系统性能65.1.3模拟实际电路7的构建5.1.4元系统的性能分析95.2修正方案的决定和修正结果的分析95.2.1使用串联先进网络进行系统校准105.2.3串联滞后采用先进的网络系统进行补偿145.2.4使用EWB构筑校正后的模拟实际电路18六、总结21一、设计目的1、通过课程设计熟悉频域法分析系统的方法原理2 .通过课程设计掌握滞后-超前补偿作用和原理3 .通过在实际电路中校正设计的运用，可以理解系统校正的实际意义二、设计任务控制系统是单位负反馈系统，开环传递函数设计了滞后超前串联校正装置，以使系统满足以下性能指标1 .开环增益2、超调3 .调整时间三、具体要求1 .要求用手工设计方法和计算机程序设计方法来设计校正装置，也可以是多个2 .接着根据设计结果，在计算机上进行仿真3 .利用线性元件(运算放大器、电阻、电容器等)构成各个环节，用仿真装置进行实验调整，达到规定的性能指标。四、设计原理概述4.1修正方式的选择根据校正装置在系统中的连接方式，控制系统的校正方式分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正4种。 串联校正是最常用的校正方法，该方式经济、设计简单、容易实现，实用多采用该校正方式。 串联修正方式是，修正器与控制对象串联连接。 本设计根据需要以串联校正方式进行校正。可以根据控制系统的性能指标表现方式来决定校正方法。 在本设计中，需要作为频域的指标来给出，因此使用基于Bode图的频域法来进行校正。4.2集中串联校正概要串联校正包括串联超前校正、串联延迟校正、延迟-超前校正等。4.2.1串联前进校正先行校正的目的是改善系统的动态性能，以改善系统的动态性能，而不损害当前系统的静态性能。 加入超前校正的一环，利用其相位超前特性，增加系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。 一般来说，校正环节的最大相位超前角出现在系统的新频域点上。4.2.2串联滞后修正滞后修正加入滞后修正的一环，在大幅度增加系统的开环增益的同时，使修正后的系统的动态指标保持在原系统的良好状态。 使用滞后校正环路的低通滤波器特性，在不影响校正后的系统的低频特性的情况下，在校正后的系统中降低高频增益，使其通过频率前进，以增加系统相位裕度。4.2.3串联滞后-超前校正滞后-高级校正适用于对校正后系统的动态和静态要求更高的情况。 施加滞后-超前校正主要是利用其超前部分来增加系统的相位裕度，改善系统的动态性能，利用其延迟部分来改善系统的静态性能。4.2.4串联校正装置的一般设计步骤以上3种不同的串联校正方法的一般设计步骤如下(1)根据静态性能指标，计算开环系统的增益。 然后，求出校正前系统的频率特性指标，与设计要求进行比较。(2)决定修正后所期待的通过频度，具体的值的选择适用于所选择的修正方式。(3)根据需要设计的校正环节的形式和转换频率，计算相关参数，确定校正环节。(4)得到修正后的系统。 检测系统满足设计要求。 如果不满意，则从步骤2重新开始。在MATLAB中基于Bode图进行系统设计的基本想法是，通过比较校正前后的频率特性，选定适当的校正环节，根据不同的设计原理来决定校正环节参数。 验证最后校正的系统，反复进行设计直到满足要求。 同时结合Simulink和EWB进行了系统原理仿真和实际电路仿真，验证了实验结果，确保了准确性。五、设计方案和分析因为本设计的主题是三次系统，所以我们需要采用高次系统的分析方法。5.1高端系统的频域分析对于一般的三次或三次以上的高阶系统，很难正确导出开环频域的特征量(和)和时域的指标(和)的关系，即使导出这样的关系式，使用也不方便，使用也不方便，在控制工程的分析和设计中，通常是以下两个工程实践吗？可以求得如下灬根据主题的要求，可以取K=3005.1.1原系统的频率响应特性和阶跃响应能够通过使用MATLAB处理原系统以直观和准确地表示原系统的频率响应特性和步进响应、并分析原系统的动态性能，来以强大的计算机功能重复所需的。再现原函数的MATLAB程序为以下：s=TF (s)；G0=300/(s*(0.1*s 1)*(0.025*s 1) )； %旧系统开环传递函数Gm，Pm=margin(G0) %返回系统中相对稳定的参数margin(G0)%绘图系统的Bode图菲格ure；step (反馈(G0，1 ) ) %系统单位步进响应经过程序的执行结果，得到了系统板图和阶跃响应，分别是图5-1和图5-2所示的：图5-1校正前的系统Bode图图5-2校正前的系统单位阶跃响应从图中可以看出，虽然要求截止频率(44.3rad/s )，但其相位角裕度(-35.2deg )远远小于期望裕度，并且系统在短的发散振动后急剧地等幅振动，非常不稳定，所以必须进行校正。5.1.2使用Simulink观察系统的性能Simulink是与MATLAB集成的动态系统建模、仿真、综合分析的集成环境。 在Simulink上，首先创建原始系统的框图，然后计算机完成系统的模拟。首先，用Simulink制作系统模型，制作图5-3所示的：图5-3系统型号按上面工具栏中央的运行按钮来模拟系统。 然后打开示波器的模块范围，检查系统的阶跃响应，如图5-4所示图5-4系统的Simulink模拟结果图中的信号首先是短时间的发散振动，在达到最大振幅之前保持等幅度振动，与图5-2相对应。5.1.3构建模拟实际电路在仿真系统之后，用模拟软件对原始系统进行实际电路的模拟. 在这里使用EWB。EWB是著名的电子设计自动化软件，与NI Ultiboard同为美国国家仪器公司的电路设计软件套件。 是伯克利大SPICE项目中为数不多的软件之一。 EWB在学术界和产业界广泛应用于电路教育、电路图设计和SPICE仿真。 由于EWB提取了SPICE模拟的复杂内容，工程师不知道深度的SPICE技术就能马上进行捕获、模拟和分析，也适用于电子学教育。未修改系统的传递函数：可以分解为以下三阶传递函数级联形式其中，惯性链路、比例-惯性链路和积分链路可以根据运算放大器“虚地”的概念，分别用以下的有源校正装置来表示。惯性连杆比率-惯性连杆积分连杆图5-5各链路电路图三个传输链路组合使用EWB创建了模拟电路图，如图5-6中所示图5-6模拟的实际电路图在构建了系统模拟的实际电路后，点击右上角的开关按钮，接通电源进行模拟。在对系统的模拟中，可以通过键盘的空格键来控制开关的接通/断开，以获得步进信号。 由此，可以得到图5-7所示的模拟执行电路图的模拟运转结果。 点击示波器模块得到模拟结果模拟结果：阶跃信号如图5-7所示图5-7伪步进信号仿真结果表明，系统经过短时间的发散振动达到最大振幅，并保持了等幅振动。 这个结果与上述两个模拟相一致。5.1.4元系统的性能分析从以上校正前系统的分析结果可以看出。 系统振幅裕度(通频44.3rad/s )和相位裕度，系统不稳定，系统的相位裕度小得多，截止频率大。 根据系统阶跃响应结果和仿真系统建立的实际电路仿真结果，结果一致。 因此，系统需要校准。5.2修正方案的决定和修正结果的分析如果需要，准备首先使用相对简单的串联或延迟网络来尝试校准。 如果不满足设计要求，请使用滞后-高级网络补偿。5.2.1使用串联先进网络进行系统校准我们可以使用MATLAB找到合适的校对，只要输入我们要求的指标，计算机就能帮助我们模拟。串联先行校正的MATLAB模拟程序如下s=tf(s )G0=300/(s*(0.1*s 1)*(0.025*s 1) )； %旧系统开环传递函数mag、phase、w=Bode(G0) %返回原始系统bode图的参数Gm，Pm=margin(G0) %返回稳定裕度的值expPm=60； %希望相位裕度phim=expPm-Pm 5； 需要添加到%系统的相位提前量phim=phim*pi/180； %相位超前量的单位变换alfa=(1-sin(phim)/(1 sin(phim ) )； %预读网络参数adb=20*log10(mag) %振幅的单位变换找到am=10*log10(alfa) %补正器的最大进相下的增益wc=spline(adb，w，am) %得到最大进相下的频率T=1/(wc*sqrt(alfa ) )； 求出%校正器参数talfat=alfa*T； 求%校正器参数alfatGc1=tf(T 1，alfat 1)； 求出%校正器传递函数figure(1)margin(G0*Gc1)%返回校正后的系统板映射figure(2)step (反馈(G0 * gc1，1 ) ) %返回校正后系统的阶跃响应曲线程序的执行结果如图5-8所示图5-8(a )校正后的系统板图图5-8 (b )校正后的系统阶跃响应曲线先行修正模拟结果的分析：仿真结果表明，过冲量达到64%，远离要求的30%，结果不合要求，不能进行一次串联先行校正。 如果采用先进的校正系统，不提高校正对象系统的相位角裕度，则至少需要选择多级串联先进的校正网络。 这使得校正后的截止频率过大。 另外，由于系统带宽过大，所以在输出噪声电平过高的实际设计中，需要附加前置放大器，系统结构变得复杂。5.2.2使用串联滞后网络进行系统校正串联超前补偿无法满足要求，请尝试使用串联延迟补偿。 使用MTLAB，在程序对话框中输入模拟程序。串联滞后修正的MATLAB模拟程序如下s=tf(s )G0=300/(s*(0.1*s 1)*(0.025*s 1) )； %原系统开环通信返回“mag、phase、w”=板(G0 )板图表的参数返回Gm，Pm=margin(G0) %稳定裕度参数P0=60； %希望相位裕度fic=-180 P0 6； %希望相位裕度下的相位mu，pu，w=bode(G0) %返回频域参数使用wc2=样条(pu、w、fic) %插值函数返回通过频率d1=conv (conv，0.1 1 )，0.