自动化综合设计

1、自动化专业综合设计报告一、设计目的：通过实验设计熟练掌握Matlab与Simulink的编程与仿真功能，提高自身的动手能力。 设单位负反馈系统的开环输出为：I 、KoG (s)=S(0.1S +1)(0.2 S +1)用相应的频率校正法对系统进行校正设计，是系统的性能指标达到：相角裕度r 45在单位斜坡输入下的稳态误差ess0.05系统的 wc3rad/s二、设计要求：要求：手工进行计算，设计校正方法，选择合适的校正装置利用Matlab编程实现设计，并提供仿真结果利用Simulink进行仿真实现单位阶跃响应三、设计内容：设单位负反馈系统的开环输出为：I 、KoG (s)=S (0.1S +1)

2、(0.2 S +1)用相应的频率校正法对系统进行校正设计，是系统的性能指标达到:相角裕度r 245在单位斜坡输入下的稳态误差ess0.05系统的 wc3rad/s要求：手工计算，设计校正方法利用Matlab编程实现设计，仿真结果利用Simulink进行仿真实现单位阶跃响应1、手工设计:解：(1)由系统在单位斜坡输入下的稳态误差ess 二 =20S00.05故可取Ko=25；25计算原系统的相角裕度中(w)和截止频率Wc0：由 A( w) = =1 可得w：1 + (0.1w)2.v1+(0.2 w)2Wc0=9；由中(w) = 90。- arctan 0.1w - arctan 0.2w 当

3、Wc0=9 时;y (w) = -12.9o显然此时超前校正已经不能使系统满足要求了，必须使用滞后校正先将系 统的相角裕度满足要求。相角裕度要求y 45o，加上滞后装置6o的估值，则要求原系统相角裕 度 为y (w) = 45o + 6o = 51。，即中(w) = 90o - arctan 0.1w - arctan 0.2w = 51o可解得Wc1=2.37;取 Wc=2.3；由 L(Wc) + 20lg b = 0 ；2520lg + 20lg b = 0 ；2.32.3b =0.092 ；25；=0.1Wc ； bTT=47；滞后环节为:相角裕度：Gc( s)=1 + bTs1 + T

4、s1 + 4.3s1 + 47 sWc oWcWcWc h 4bA0.2Wc 47.11o 45 oWc=2.3pm)wc0=w;break;end%限制wc的值使其满足小于3的要求endif (wc0=w1)wc0=w1;endx=wc0;for wc0=x：-0.01:0%计算校正装置的参数b、T以及验算校正后系统的相角裕度if (wc05)b=1/num0火wc0;elseif(wc0r);break;endendw=logspace(-3,1);subplot(2,1,1);%校正后的Gc*G%初始传函：G%滞后校正装置：Gcmag,phase=bode(num,den,w);mag1

5、,phase1=bode(num0,den0,w);mag2,phase2=bode(num2,den2,w);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1), *,w,20*log10(mag2),- );ylabel( 幅值(dB);title(原系统*G，滞后环节Gc，校正后-GGc) xlabel(频率(rad/s);grid on;subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1, *,w,phase2, -,w,(w-180-w), :);ylabel(相角(度)；xlabel(频率(rad/s) );title(

6、原系统*G，滞后环节 Gc， 校正后-GGc ) grid on;GGcGS=tf(num,den)pm2wcp2%原系统的传递函数%校正系统的传递函数%校正后系统的传递函数%校正后系统的相角裕度%校正后系统的截止频率3、利用Simulink进行仿真：仿真系统的连接图：在输入端施加阶跃信号，通过Scope检测未加校正环节系统的阶跃响应曲线；通过Scopel 来检测加入校正环节后系统的阶跃响应曲线。四、设计实验结果及分析波特图:通过Matlab编程将原系统、校正装置以及校正后系统的bode图显示出来。图中可以看出原系统在频率为9时也就是截止频率处所对应的相角裕度为负值，显然系统此时是不稳定的。而

7、加入滞后环节后，系统的截止频率被拉小为2.3，此时 系统的相角裕度明显大于45，满足了设计要求。Matlab仿真实验结果:Transfer function:250. 02 s3 + 0. 3 s2 + sTransfer function:4. 184 s + 143. 76 s + 1Transfer function:104.6 s + 250. 8753 s4 + 13. 15 -3 + 44. 06 2 + spm2 =48.7635wcp2 =2. 1580 |上图为Matlab程序所执行出的实验结果， 为原系统的传递函数，0.02s 3 + 0.3 + s4：V T为滞后校正装置

8、的传递函数，一104了+2 为校正后系统43.76s +10.8753s 4 + 13.15s3 + 44.06s 2 + s的传递函数，pm2为校正后系统的相角裕度45。，wcp2为系统的截止频率3rad： s，满 足设计要求。Scope的波形图:此波形为未校正的系统的阶跃响应曲线，由于此系统为不稳定系统因而其阶跃响应曲线为震 荡发散。Scopel的波形图：波形图为加入校正装置后系统的阶跃响应曲线，此时系统稳定，系统为1型系统，其稳态误差为0五、结论：对于一个控制系统而言，当系统的控制对象确定并确定了系统的执行部件，那么系统的 传递函数也就确定了，因而对于一个确定的系统其传递函数是确定不变的。为了能够使 控制系统的性能参数能够进一步提高，那么就需要设计一个合适的控制器来满足要求。 在系统中加入了合适的控制装置后，系统性能明显提高。Matlab具有强大的集成功能与 运算能力，是设计更加便捷，而且Matlab集合了各类软件编程的优越性，使用Smulink 进行仿真更是大大的提高了形象化设计六、设计感受：通过完成计算机仿真实验完成对初始系统的校正，熟悉了 matlab的编程方法与Smulink 的仿真方法，控制器设计的具体应用，加深了对Matlab知识的运用，同时培养解决现实 的问题的能力。在此次设计中，我学会了用现