自动控制原理课程设计-对水箱流量控制系统

1、自动控制原理课程设计报告 通过对水箱流量控制系统分析，加强对水箱流量控制系统的认识，并掌握超前串联校正设计的方法。通过设计，加深自己对自动控制基本原理的理解，掌握自动控制理论基本原理及一般电学系统的自动控制方法，培养分析问题、解决问题的能力。此外，使用Matlab 软件进行系统仿真，从而进一步掌握 Matlab 的使用方法。已知单位反馈水箱流量控制系统，系统的开环传递函数为KG (s)0(0.1 sss要求：试用 Bode 图设计法对系统进行超前串联校正设计，使系统满足：（1）系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差e 0.001ss（2）系统校正后，系统的相角裕量40 50（1）手画出满足初

2、始条件的最小K 值的系统的 Bode 图，并计算出系统的剪切频率 和相角裕量 ；10（2）在系统前向通道中插入一个相位超前校正网络，确定校正网络的传递函数G(s)；（3）用Matlab 画出校正后的系统 Bode 图，并标出开环剪切频率 及对应c2的相角裕量 ；（4）在 Matlab 下，用 simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；为了使系统满足一定的稳态和动态要求，对开环对数幅频区现有以下要求：开环频率特性的低频段的要有一定的高度和斜率；开环频率特性的中频段的斜率一般要求在 / ，并且具有一定的宽度；开环频率特性的高频段采用迅速衰减的特性，以抑

3、制不必要的高频干扰；因此，用频域法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置，是开环系统的频率形状变成所期望的形状。（1）根据所要求的稳态性能指标，确定系统满足稳态性能要求的开环增益K 。由要求（1e 0.001。ss我们可以得出：11e ss 0.001KKv我们知道KK lim (s)H(s)limssssv0s0s0通过以上两式求出K ， 因此取K 。（2K 值下的系统的 Bode o示( )(/s)1图一：未校正的对数幅频曲线待校正系统开环传递函数G (s)(0.1 0sss上式是最小相位系统，只需画出其对数幅频特性，就可以求出系统的开环剪切频率 。1由公式G(j

4、)H(j ) 1cc )c由已知条件知，系统为单位斜坡作用，得出 H(j )1c由以上三式可求出未校正前 对应的相角裕量 。10图二：未校正系统的 Bode 图由图二得待校正系统的开环剪切频率100rad /s1可算出待校正系统的相角裕量为 180 90 arctan0.1 arctan0.001011 84.3 5.70相角裕量偏小，这是因为待校正系统的对数幅频特性中频区的斜率是40 /dec正。由于剪切频率远远低于指标要求，故采用串联超前校正装置。（3）确定为使相角裕量达到要求值，所需增的超前相角 。c co在5 和 之间， 是考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加的相角裕量，未校正系统中

5、频段的斜率为-40dB/dec，故取该值。可取 ，则 0 c （4）令超前校正网络的最大超前相角 ，求校正装置的参数 。mc1sin1sin0.130mm（5）确定未校正系统幅值为 的频率 。校正后系统的剪切频率m ，校正网络的对数幅值c2m 8.86可计算出未校正系统在该处的频率，也可作为校正后的系统的剪切频率。c20c2（6）下面计算校正网络的周期T 。11 是m和 的几何中点，所以有T T1 1*T T2m1mT令 166.3rad s/mc2由以上各式子求出1T 0.0166 m160.2TT1T/s（7）写出校正装置的传递函数。校正装置的传递函数为0.0166s11G (s)10.0

6、022s1c（8）为补偿超前校正网络造成的幅值衰减，附加一个放大器1K c 则校正后系统的传递函数为G(s)G (sG (s)K0cc1000( 66 1)s( 1)( 01 1)(0022 1)传递函数如图三所示校正装置被控对象图三：校正后系统的传递函数接下来做出校正后的系统 Bode 图，如图四所示。图四：校正后的系统的 Bode 图（9）检验系统的特性，校正后的相角裕量为： c2c2c2c244由于40 50校正后系统的性能指标满足要求。由Matlab画出校正后的 Bode rad/s，c44 的。（10）在Simulink 仿真环境下对校正后的系统进行仿真，并与校正前比较。线如图六、七

7、所示。图五： 加校正环节前后的仿真模型图六：校正前系统阶跃响应曲线图七 ：校正后系统阶跃响应曲线通过仿真曲线可以看出，校正前系统不稳定，单位阶跃响应振荡剧烈。而校都较小，故该校正装置能够很好的达到设计要求，可以取用。通过本次课程设计使我明白了当开环传递函数中频段对数幅频特性斜率为20 /段对数幅频特性维持在20/的斜率，并且具有一定的宽度。这次设计让我了解了自动控制原理中校正系统的基本概念及其对系统设计的相关应用，学会了运用 Matlab 软件进行简单的系统校正。这次课程设计使我能很好的运用到实际中去。这次课程设计还让我明白了许多从前不知道的知识，培养了自己运用计算机进行实际操作的能力，熟悉了 Matlab 的基本操作功能，会，让我从中受益匪浅。【1】谢克明. 自动控制原理(第 2版). 北京：电子工业出版社. 2009【2】李友善. 自动控制原理. 北京：国防工业出版社，1981【3】胡寿松. 自动控制