自动控制原理课程设计超前

1、自动控制原理课程设计报告自动控制原理课程设计 指导教师评语平时（20）报告（40）（30）总成绩设计（40）专 业： 自动化 班 级： 动1001 姓 名： 学 号： 指导教师： 费克玲 兰州交通大学自动化与电气工程学院2013 年 01月 11日目录1.设计目的32.设计内容32.1 题目要求32.2 用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤33.设计过程和步骤43.1 确定开环增益43.2 画出未校正系统的伯德图43.3 确定校正装置最大超前相角53.4 计算角53.5 计算校正装置在处的幅值63.6 计算超前校正网络的转折频率63.7 画出校正后系统的Bode图63.8 画出两次校正之后

2、的Bode图74.软件仿真85.电路模拟及结果分析：106.思考127.心得体会138.参考文献14连续定常系统的频率法超前校正1.设计目的(1)了解串联超前校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响；(2)掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法；(3)掌握串联超前校正装置的设计方法和参数调试技术；(4)掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并用仿真技术验证校正环节理论设计的正确性；(5)掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并模拟实验验证校正环节理论设计的正确性。2.设计内容2.1 题目要求已知单位反馈控制系统的开环传递函数为：设计超前校正装置，使校正后系统满足：2.2 用频率法对系统进行串联

3、超前校正的一般步骤(1)根据稳态误差的要求，确定系统的开环增益；(2)根据确定的开环增益，画出未校正系统的伯德图，求出其相位裕量；(3)由给定的相位裕量值，计算超前校正装置应提供的相位超前量，即：式中的是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统的剪切频率增大而增加的相角迟后量。值通常是这样估计的：如果未校正系统的开环对数幅频特性在剪切频率处的斜率为，一般取；如果该频段的斜率为，则取(4) 根据所确定的最大相位超前角，按下式算出相应的值:(5)计算校正装置在处的幅值(参见图1)。由未校正系统的对数幅频特性图,求得其幅值为处的频率，该频率就是校正后系统的开环剪切频率，即；(6)确定校正网络的转折频率和

4、：(7)画出校正后系统的伯德图，并验算相位裕量是否满足要求?如果不满足，则需增大值,从步骤(3)开始重新进行计算,超前校正装置的传递函数为：超前校正网络的伯德图如图1为：图1 超前校正网络的Bode图3.设计过程和步骤3.1 确定开环增益根据给定静态误差系数的要求，确定开环增益KsG(s)=s*得K=150。3.2 画出未校正系统的伯德图在MATLAB中输入以下语句：>> Go=zpk(,0 -10 -100,150000);>> bode(Go)>> margin(Go)得到未校正系统的Bode图，如图2：图2 未校正系统的Bode图由上图可知，未校正系统

5、的相角余度，剪切频率rads，幅值余度Gm=-2.69dB。3.3 确定校正装置最大超前相角由题目要求可知，校正后的系统的超调量高阶系统有以下公式，超调量：谐振峰值：由以上公式可得，由于系统在剪切频率处的斜率为-40db/dec,一般取，取，则有3.4 计算角由下式：得到。3.5 计算校正装置在处的幅值由未校正系统的对数幅频特性图，求得其幅值为-处的频率，该频率就是校正后系统的开环剪切频率，即,计算校正装置在处的幅值为:由系统的对数幅频特性图得，未校正系统在开环对数幅值-9.8172dB处对应的频率为68.6dB。3.6 计算超前校正网络的转折频率由于，就有 ，则，即超前校正网络的传递函数是：

6、3.7 画出校正后系统的Bode图校正后系统的开环传函为：在Matlab中输入以下命令：>> Go=zpk(-17.96,0 -10 -100 263.9,2218934.9);>> bode(Go)>> margin(Go)得到校正后系统对应的Bode图如图3,由图可以得到，校正后系统的相角裕度为。此时，系统的超调量，不符合要求。再返回到第三步进行校正，此时，原系统的传递函数为：剪切频率为68.6rad/sec。Bode图在剪切频率处的斜率为-20dB/dec，取，则有图3 第一次校正后系统的Bode图求出：校正网络在剪切角频率处的幅值为，未校正系统在幅值

7、为-3.598的频率为，则校正系统的转折频率分别为：对应的校正装置的传函为：3.8 画出两次校正之后的Bode图两次校正之后，系统的传递函数：两次校正之后，系统的伯德图如下：在Matlab中输入以下命令：>> Go=zpk(,0 -10 -100,150000);>> bode(Go)>> margin(Go)>>hold on>>G1=zpk(-17.96 -59.47,0 -10 -100 -263.9 -136.2,5081142.4);>>bode(G1)>>margin(G1) 图4 两次校正后装置的

8、Bode图由图4可知，校正后系统的剪切频率为90.6rad/dec，相角裕量为47deg，此时，系统的超调量为29.6%，满足要求。4.软件仿真图5 Simulink仿真图图6 仿真结果如图5所示是校正前后系统在simulink下面的仿真原理图,如图6校正前后系统在simulink下面的阶跃响应曲线。由图可知，系统在为校正前单位阶跃响应是发散的，在校正一次后系统便稳定了，但是超调量有点大，在校正两次之后系统不但稳定而且剪切频率也增大了超调也降低了。5.电路模拟及结果分析：如图8所示为未校正系统的模拟电路图：图8 未校正系统的硬件结构图图9 校正系统的单位阶跃响应校正后系统的开环传递函数：画图步

9、骤：（1） 将系统的开环传递函数化简成简单的积分、惯性、比例积分环节； （2） 根据比例算出相应的参数； （3）连出相应硬件图。 校正后系统的模拟电路如图10:图10 校正后系统硬件图图11 校正后系统的单位阶跃响应波形6.思考 （1）超前校超正对改善系统性能有什么作用？什么情况下不宜采用超前校正？答：当控制系统的开环增益增大到满足其稳态性能所要求的数值时，系统有可能不稳定，或者动态性能不能满足要求。在这种情况下，需要在系统的超前校正装置中加一超前校正装置。超前校正是通过其相位超前特性来改善系统的品质；超前校正增大了系统的相位裕量和剪切频率，从而减小瞬态响应的超调量，提高其快速性；超前校正对提

10、高稳态精度作用不大；超前校正适用于稳态精度已经满足、但瞬态性能不满足要求的系统。当未校正系统的相角在所需剪切频率附近向负相角方面急剧减小时，采用串联校正环节效果不大；或者当需要超前相角的数量很大时，超前校正的网络的系数值需选择很小，从而使系统的带宽过大高频噪声能顺利通过系统。以上两种情况不宜采用串联超前校正。（2）有否其他形式的校正方案？参数如何？怎样模拟？可以自己拟订校正方案，分别通过仿真和实验加以验证。答：根据校正装置在系统中的位置，控制系统的校正方式有：（1）串联校正；（2）反馈校正；(3)串联反馈校正；（4）前馈校正；（5）符合校正五种形式。（3）分析校正前后系统的阶跃响应曲线和Bod

11、e图，说明校正装置对改善系统性能的作用。答：增加开环频率特性在剪切频率附近的正相角，从而提高了系统的相角裕度；减小对数幅频特性在幅值穿越频率上的负斜率，从而提高了系统的稳定性；提高了系统的频带宽度，从而提高了系统的响应速度； 不影响系统的稳态性能。但若原系统不稳定或稳定裕量很小且开环相频特性曲线在幅值穿越频率附近有较大的负斜率时，不宜采用相位超前校正；因为随着幅值穿越频率的增加，原系统负相角增加的速度将超过超前校正装置正相角增加的速度，超前网络就起不到补偿滞后相角的作用了。(4) 超前校正的原理是什么？ 答：超前校正装置的传递函数为： 由于，则校正装置会在中频段产生足够大的超前相角,以补偿原系统过大的滞后相角7.心得体会课程设计和我们习惯的单纯的看书做题不一样，他更考验我们对知识的理解和应用。通过这次课程设计我可谓受益匪浅。首先当然是对于课本知识的在学习和更深刻的理解，特别是对于校正系统，在试取值时需要耐心的验算，在校正后还需要前后的对比分析，是我更深刻的体会到了大学的课本知识和实际联系还是很紧密的。其次是关于MATLAB这个软件的学习，现在我已经能使用这个软件完成一些简单的计算能画出伯德图，根轨迹图和Nyquist图形以及simulink的仿真。过程中遇到了很多困难通过老师的指导、同学之间的交流和上网查询一个个都解决了，感觉到凭自己的力量确实有点小。以后我会更加注重于