飞行器控制系统-课程设计

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师：陈跃鹏工作单位：武汉理工大学题 目：飞行器控制系统设计初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为:G(s) =4500 K5(5 + 361.2)要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写 等具体要求）1. 分别用时域和频域方法设计该系统的控制器。控制系统的时域性能指标为：单位斜坡输入的稳态误差5最大超调量55%上升时间5调节时间S控制系统的频域性能指标为：单位斜坡输入的稳态误差5相位裕量大于802. 用Mat lab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线, 计算其时域性能指标。时间安排:任务时间（天）审题、查阅相关

2、资料2分析、计算2编写程序2撰写报告1论文答辩指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名：年 月 日摘要：根据被控对象及给定的技术指标要求，涉及自动控制系统，既 要保证所设计的系统具有良好的性能，满足给定的指标要求，还有考虑方 案的可靠性和经济性，本课程设计是在给定的指标下，分别用时域和频域方 法设计该系统的控制器。本文首先从理论的方法分别用时域和频域法求出控制系 统的时域性能指标，再用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响 应曲线，计算其时域性能指标，经验证，满足设计要求。关键词：飞行器控制系统时域频域MATLAB:According to the controlled

3、object and given the technicalindex requirements, involving the automatic control system, which not only have to guarantee the system designed has good performance, and meet given index requirement, also considering scheme reliabi1i ty and economical efficiency, this course is designed in a given in

4、dex, respectively for time domain and frequency domain method to design the system control ler This paper from the theoretical method respectively in time domain and frequency domain method for the control system of the time-domain performance index, reoccupy Mat lab before and after correction syst

5、em simulation analysis and draw the Laplace domain response curve, calculates the time-domain performanceindicators, the verification, and meet the design requirements.Key words： AircraftControl system Time-domainFrequency domainMat lab1设计要求初始条件1设计任务12用时域方法设计系统控制器1题目分析1超调量计算2稳态误差3上升时间3调节时间43用频域方法设计系

6、统控制器 4理论分析4参数计算44 MATLAB仿真分析5阶跃响应曲线及性能指标5MATLAB频域分析75心得体会10参考文献飞行器控制系统设计1设计要求初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为:G($) =4500 Kss + 361.2)设计任务：控制系统的时域性能指标为： 单位斜坡输入的稳态误差5 最大超调量55%上升时间5调节时间5控制系统的频域性能指标为： 单位斜坡输入的稳态误差5 相位裕量大于802用时域方法设计飞行器控制系统题目分析：已知系统开环传递函数可得：令 2= 4500k2所以开环传递函数G(s) =生一s(s +361.2)稳态误差为必s = != 型1二仝0.0004

7、43YimSG(s) co；皱所以，取k = 182超调量 o =y5 0.69又因为2總”二 由于0.69, 181.6显然条件不成立。所以说 一定要加入一定的性能改善环节。通过分析，要达到指定的时域性能指标，需要 加入一个测速反馈调节。如图1所示：图1测速反馈控制系统其中研=4500匕人为测速反馈系数 开环传递函数G(s) =莖5(5 + 361.2)加入测速反馈后开环传递函数：G($)=恥/(2阿+闵)+ 1即：G(s)=匕L 丁+(2利+伽”闭环传递函数0(s) = 生?s +(3612 + KaJs + 6V超调量计算当输入为单位阶跃函数时C(s)=-厂+20# + 塔 sc(s)=

8、 _L皿S “ + ,)2 + 研 “ + 5)2 + 研对上式取拉氏反变换，求得单位阶跃响应为li(t) = -ent cosco t + J sin codth(t) = 1 -( 1严如 sin(叫 + 0)3&/7 = arccoz1式中，将阶跃响应函数7对f求导，并令其为零，求得 tan(0/p+0)=、-将上式代入阶跃响应函数，得输出量的最大值按超调量定义式，求得cr% = cS xU)0%0.69超调量b = e阻尼比(“泸)22水稳态误差稳态误差ess = 1一 =(3612 +仪如二荃v 0.000443lim SG(s)co3：将=0.7代入式中得到3160.3取=3161

9、,得：k二由式可上升时间对上式令加一)=1,求得Cg“sin（0/,.+0） = O所以上升时间rr = -= = 0.001 80 ,可加入串联超前校正来改善系统性能。釆用串联 超前校正时，整个系统的开环增益要下降，因此需要提高放大器增益加以补偿，所以串联超前校正的传递函数为1 +71 + ls式中&微分度系数(&1), T叫时间常数。参数计算单位斜坡输入稳态误差心=KTim()4500 k(5 + 361.2)4500 k361.2比需543K18118K 取 182开环传递函数819000s(s + 361 .2)令|G(y )| = l (咚为截止频率)求得0.=870血%相角裕度 7

10、 = 180。-90。-amtan%2 =23超前网络对频率在%厂至%之间的输入信号有明显的微分作用，在该频 率范围内，输出信号相角比输入信号相角超前，在最大超前角频率卩“处，具有 最大超前角 ,且正好处于频率%了和%的几何中心。为补偿角是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频率增大而增加的相 角滞后量。未校正系统的开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为-40B/ec, 故取5。所以有所以最大超前角 = 80 -23 + 5 = 62Q (pm = arc sin所以沪16根据-201g4500*182+361.2=lOlga = 12解得 T = ! = 0.00014 CO cyl a所

11、以加入校正为：一、 + aTs 1 + 0.00224$ G(s)= + Ts1 + 0.000145所以加入校正后：c 、8190001 + 0.00224 5G(s)=5(5 + 361.2) 1 + 0.00014 s4 MATLAB仿真分析阶跃响应曲线及性能指标 校正后系统开环传递函数为 ( 、3 2G(s)=52 + 4425 .45MATLAB编程如下：k=；num二1；den=conv(l,0t 1)；sys=tf(k*numt den)；lsys二feedback (sys丄T)；y,t,x=step(lsys)；plot(t,y):结果如图2所示在MATLAB提示符后，输入l

12、tiview,启动该图形软件。从File的下拉菜 单中选中-import选项选择需要仿真的系统。选择窗口中的Lsys系统，并用鼠标 点击0K。在画面中点击鼠标右键，选择“Characteristics”选项，再选择uPeak Time”项可得阶跃响应曲线中的峰值时间为。在画面中点击鼠标右键，选择 u Characteristics 选项，再选择Settling Time、Rise Time”、Steady State”选项可得阶跃响应曲线中的调节时间为，上升时间为，稳态值为1 （稳态 误差为0）。结果如图3所示:Step Response143T3w dE.System: IsysPeak a

13、mplrtude: 1.05Overshoot (%): 4.6 At time (sec): 0.00139:二 z Syslem 恰酉:, - =F忌怖3碍加(55辭尸Time (sec): 0.00189 :. 11.5Time (sec)2.5X10Import completed. Systems imported: 1.图3阶跃响应曲线性能指标MATLAB频域分析未校正前的开环传递函数为G(s) =4500 Ks(s + 361.2)MATLAB编程如下: num二819000； den=l 0: sys=tf(num,den)； margin(sys)结果如图4所示：50Bode

14、 DiagramGm = Inf dB (戲 Inf rad/sec) ( Pm = 22.6 deg/ 870 rd/sec)osasosljd53-1o108W2W3Frequency (rad/sec)10*图4未校正开环传递函数伯德图 校正后的开环传递函数为、8190001 + 0.00224$G(s)=5(5+361.2) 1 + 0.00014 sMATLAB编程如下： num= 819000: den= 0: sys=tf(num,den)； margin(sys)结果如图5所示:Bode Di&gr&m图5校正后开环传递函数伯德图经验证，校正后的系统满足： 单位斜坡输入的稳态误

15、差5 相位裕量为80。所以加入串联超前校正可行Q5心得体会自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航天及航空等众多产业部 门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动环境，丰富和提髙了人们 的生活水平。在今天的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明进步做出 了极大的贡献。这次自动控制原理课程设计中也让我了解到了自动控制在多方面 的应用。平常我们上自动控制原理课时，老师讲的都是理论知识，没有试验的验证与 对比，我感觉很难理解这些知识，为了应付作业和考试，我也只是略微了解了些 原理，把公式记牢就够了。然而在这次自动控制原理课程设计中，就暴露了许多 问题。我开始在做飞行器控制系统设计时，按部就班的套用书上的公式，算完系 统开环传递函数时域性能指标后，在MATLAB中仿真分析，发现得到的阶跃响应 曲线与理想中的有差距，从图中就可以看出来只满足了部分时域性能指标，在与 校正前的曲线比较就很容易发现问题，采用数型结合的方法很快得到正确的参 数。虽然这次自动控制原理课程设计只有一周的时间，由于这一周里还有自控考 试，我为了准备考试虽然没有花太多的时间，但通过我在做课程设计时，翻书、 上网查资料，与同学讨论，让我的实际动手能力增强的很多，让我对自动控制原 理这门课程所学的知识有了进一步的理解，加深了对理论基础知识的掌握，让我 们学以致用，使我们的知识掌握的更加牢固，感谢老师们耐心的