雷达天线-自控原理课程设计

1、哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）目录1设计过程21.1人工设计21.1.1计算数据21.1.2系统校正前后及校正装置的Bode图61.2计算机辅助设计61.2.1Simulink 仿真框图61.2.2Bode图81.2.3阶跃响应曲线101.2.4稳态误差曲线112校正装置电路图123设计结论124心得体会131 设计过程1.1 人工设计1.1.1 计算数据图1 直流电动机方框图（a）校正前传递函数图1为直流电动机的方框图，其中Kt为电机转矩灵敏度，Ke为反电势系数，Ra为电机电枢电阻，La为电机电枢电感。将设计任务书相关参数带入框图中得到传递函数表达式为：G1S=0.71430.0093

2、6S2+2.054S+0.514化简后得到：G1S=76.31S2+219.4S+54.91将开环传递函数写成典型环节形式G1(S)=1.393.99S+10.0045S+1可见，该直流电机的传递函数为两惯性环节串联而成。计算转折频率，将各转折频率由小到大排列。1=13.99=42=10.0045=222.2对数幅频特性最低频段（或其延长线）是通过点（=1,L=20lg(K)）,斜率为(v-20dB/dec)的直线，其中，v是串联积分环节的数目。所以，该直流电机对数幅频特性曲线经过点（=1,L=20lg1.39=2.86）转折点（0.25,2.8584）（222.2，-55.9810）。绘制b

3、ode 图。现在计算该传递函数的剪切频率及相角裕度：令G(jc)H(jc)=1解得c=0.242rad/s。将c值代入上式求得相角Gj=1.39(3.99j+1)(0.0045j+1)Gjc=-arctan3.99c-arctan0.0045c=-44得相角裕度为=180+Gjc=146这与指标a要求的相差甚远。（b）校正环节现加入一放大环节G2=750，调整放大系数K，使K=10411000，满足a中指标。（c）校正后传递函数经过放大环节调整后，传递函数变为：GS=535.7250.00936S2+2.054S+0.514化简后得到：G1S=57232.5S2+219.4S+54.91将开环

4、传递函数写成典型环节形式：G1(S)=1042.53.99S+10.0045S+1该直流电机对数幅频特性曲线经过点（=1,L=20lg1042.5=60.36）转折点（0.25,60.3596）（222.2，1.5202）。绘制bode 图。验算现在计算该传递函数的剪切频率及相角裕度：令G(jc)H(jc)=1解得c=195rad/s70rad/s。将c值代入上式求得相角Gj=1042.5(3.99j+1)(0.0045j+1)Gjc=-arctan3.99c-arctan0.0045c=-131.6得相角裕度:=180+Gjc=48.445从而达到了性能指标A的要求。（c）前馈环节稳定性首先

5、计算系统的稳定性系统的特征方程为：DS=S2+219.4S+57287=0列出相应劳伦斯列表S2157287S1219,.40S057287第一列未变号，说明系统稳定前馈环节在性能指标b 中，当输入信号为40sin(5)时，稳态误差ess20 。对于以上经过放大环节矫正的传递函数，现在验证其是否满足性能指标B的要求。由：Gj=1042.5(3.99j+1)(0.0045j+1)得到，该系统的输入-偏差闭环传递函数是 e=11+G(S)所以，Gj=(3.99j+1)(0.0045j+1)3.99j+10.0045j+1+1042.5将=5带入，解得e(j)=0.0194=1.16420下面进行s

6、imulink 仿真。仿真框图如下图2仿真框图仿真结果如下图3仿真结果发现即使理论计算符合误差要求，但仿真结果却不符合性能指标B的要求。所以，需对原系统引入前馈控制环节Gb(s)。图4系统校正后的方框图由公式e(s)=1-G2(s)Gb(s)1+G1(s)G2(s)得es=S2+219.4S+54.91-Gb(s)76.31S2+219.4S+57287.41可以看出，若使上式中分子的S0项和S1项的系数均为零，分子中即可出现S2因子，系统即成为2阶无静差，成为型。取Gbs=2.9S+0.72验算原系统输入-误差传递函数为es=S2S2+219.4S+57287.41则ej=(j)2(j)2+

7、219.4j+57287.41将=5代入，得e(j)=4.410-4=0.0264201.1.2 系统校正前后及校正装置的Bode图图5系统校正前后及校正装置的Bode图1.2 计算机辅助设计1.2.1 Simulink 仿真框图(a) 未加入放大环节仿真框图图6 未加入放大环节仿真框图（b）引入放大环节仿真框图图7引入放大环节仿真框图（c）未引入前馈控制误差仿真框图图8未引入前馈控制误差仿真框图（d）引入前馈控制误差仿真框图图9引入前馈控制误差仿真框图1.2.2 Bode图(a) 校正前bode图图10 校正前bode图(b) 校正环节bode图图11 矫正环节bode图(c) 校正后bod

8、e图图12 校正后bode图由仿真结果知，校正后系统开环传递函数剪切频率为195rad/sec ，相角裕度为48.4deg ，符合设计要求。1.2.3 阶跃响应曲线（a） 校正前阶跃响应曲线图13校正前阶跃响应曲线（b） 校正后阶跃响应曲线图14校正后阶跃响应曲线1.2.4 稳态误差曲线（a） 加入前馈环节前系统稳态误差曲线图15加入前馈环节前系统稳态误差曲线（b） 加入前馈环节后系统稳态误差曲线图16加入前馈环节后系统稳态误差曲线由仿真结果知，稳态误差小于20角分，即0.33,符合设计要求。2 校正装置电路图（a） 放大环节放大环节选用运算放大器，放大倍数为750倍。有运算放大器的相关知识，

9、放大倍数k=-R1R2，所以取R1=750,R2=1。同时应用两个运算放大器串联，第二个运算放大器放大倍数为-1，使经过放大环节的输出信号与输入信号同号。图17 放大环节电路图3 设计结论计算稳态误差的共同前提条件是系统必须稳定，计算稳态误差之前必须先确定系统的稳定性。增大开环放大倍数可以有效地减小稳态误差，但是增大系统的开环放大倍数，只能减小某种输入信号作用下的稳态误差，不能改变稳态误差的性质，但是增大开环放大倍数K可以减缓稳态误差趋于无穷的变化速度。同时，增大系统开环倍数以减小稳态误差必须保证系统稳定。顺馈控制又称前馈控制，是把系统的外部作用信号（输入信号或干扰信号）通过另外一条支路引入控制系统，利用补偿原理来减小或消除系统误差，包括稳态误差。顺馈控制是由顺馈通道给控制系统引入另外一个输入信号，所以采用顺馈控制原闭环系统的稳定性，这是顺馈控制非常重要的一点。但是，缺点是要用到输入信号和干扰信号的微分或高阶微分，在工程实践中有时是难以实现的。4 心得体会在进行设计的过程中，我对自动控制原理这门课有了更加深入的认识。设计实际系统不同于做书上的课后题，没有标准答案，在能达到指标的基础上还要考虑方案的可行性、合理性和经济性等等。通过这次课程设计，我不仅对MATLA