Ⅰ型二阶系统的典型分析与综合设计-课程设计报告

PAGE11指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院自动化系课程设计报告设计题目：Ⅰ型二阶系统的典型分析与综合设计学生姓名：专业：电气工程及其自动化班级：05111学号：20122指导教师：设计时间：2014年12月重庆邮电大学移通自动化系制目录TOC\o"1-3"\h\u9718第一章系统概念 4287701.1设计目的 4293551.2系统原理（简介） 4171721.3各环节的性能、功能特性说明 462021.3.1比例环节 484701.3.2积分环节

569801.3.3惯性环节 595771.4系统参量 5143701.5基本要求 5232751.6设计指标 522112第二章系统建模 567862.1各环节建模 6176112.1.1比较器 6213332.1.2比例环节 6274432.1.3积分环节 7220402.1.4惯性环节 9182012.1.5反馈环节 10172752.2系统的数学模型 10293972.2.1系统结构框图 10325632.2.2系统等价框图 11130612.2.3系统闭环传递函数 11215652.2.4特征方程: 1192732.2.5小结 127243第三章系统分析 12131123.1系统稳定性分析 1229343.1.1利用劳斯判据判断稳定性 1272623.2稳态（精度）分析 1427333.2.1跟踪能力 14212083.2.2静态误差的计算 1478063.2.3对误差ess进行验证 15304093.3系统动态分析 1613133.3.1动态平稳性分析 17311383.3.2快速性分析 17199563.3.3结论 1718994第四章系统综合校正设计 18322024.1校正方案的分析 18282174.1.1校正方案的分析 18119624.2校正方案的确立 19239344.3采用串联校正。 19203014.3.1确定系统期望数学模型 19211814.3.2数学模型与期望的参数求取 2010884.2.3绘制期望的根轨迹图 2110477第五章系统模拟 2123585.1原系统的物理模拟图 21203845.2校正装置物理模拟图 2241025.3综合后校正模拟图 2230613第六章设计小结 25234476.1心得体会 25247576.2致谢 2631324参考文献 27《自动控制原理》课程设计第一章系统概念1.1设计目的《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学环节，它有别于毕业设计，更不同课堂教学。它只要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。1.2系统原理（简介）图1-1其中：R0=100K;C1=C2=F;R2=1/2R0Rf为线性滑动电位器，可调范围为：1.3各环节的性能、功能特性说明1.3.1比例环节比例环节的输出量与输入量成正比，不失真也不延滞，所以比例环节又称为放大环节或无惯性环节1.3.2积分环节

输出量与输入量成积分关系的环节，称为积分环节。其特点：输出量与输入量的积分成正比例，当输入消失，输出保持不变，具有记忆功能；积分环节受到扰动自身无法达到稳定。1.3.3惯性环节一阶惯性环节的微分方程是一阶的，且输出响应需要一定时间后才达到稳态值，因此称为一阶惯性环节。其特点：输出信号对输入信号的响应存在惯性（输入信号阶跃加入后，输出信号不能突然变化，只能随时间增加逐渐变化）。设计过程可忽略各种干扰，比如：运算放大器的零点漂移，环节间的负载效应，外界强力电力设备产生的电磁干扰等，均可忽略。1.4系统参量系统输入信号：r（t）；系统输出信号：r（t）；1.5基本要求建立系统数学模型——传递函数；利用频率特性法分析和综合系统；完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验连接图；完成系统综合前后的MATLAB仿真（验证）验证；1.6设计指标设定：输入为r（t）=a+bt（其中：a=286.6°b=229.3°）在保证静态指标kv=5（eSS0.8)的前提下；要求动态期望指标：第二章系统建模有许多类型的控制系统。如物理学中的力学系统，它是以牛顿力学为基础的机械运动系统。或者非物理系统，如现代企业管理系统。自动控制原理学科以物理系统为研究对象，来研究自动控制理论的基本问题。一个物理系统，作为知识表达，首先要采用适当的描述方法来描述它。通常采用的方法是数学描述方法，或者成为数学模型。2.1各环节建模（各环节间无负载效应，可以分开单独分析。）2.1.1比较器数学模型：结构框图：R（S）Y（S）图2-1比较器的作用：检测系统的偏差的重要环节，使系统产生控制作用。2.1.2比例环节输入：输出：数学模型：结构框图:图2-3物理模型：图2-4由于可调电阻的可调范围为，所以放大倍数功能作用：1.前置放大2.电压（电流）放大3.功率放大2.1.3积分环节输入：输出：数学模型：结构框图：图2-5物理模型：图2-6功能作用：体现系统达到平稳的快慢程度，提高系统对输入信号的跟踪能力。2.1.4惯性环节输入：输出：y(S)数学模型：结构框图：图2-7物理模型：图2-8功能作用：体现了大多数物体的自然属性，有储能特性，体现达到稳态值的快慢程度。2.1.5反馈环节输入：y(S)输出：y(S)数学模型：11结构框图：图2-9功能作用：将输出信号通过一定方式馈送至系统环节输入端过程，是一种装置，也是一种线路连接。2.2系统的数学模型2.2.1系统结构框图EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4-图2-10，,2.2.2系统等价框图_图2-11，2.2.3系统闭环传递函数,2.2.4特征方程:(2-3)2.2.5小结该系统为Ⅰ型二阶系统,其开环传递函数为第三章系统分析3.1系统稳定性分析稳定的定义:系统在外部扰动作用下，其平衡遭致破坏。如果经过足够长时间，系统(响应)能达到一种新的平衡、或能恢复到原始平衡状态，那么我们称该系统是稳定的，否则是不稳定的。3.1.1利用劳斯判据判断稳定性劳斯判据运用说明：已知线性定常系统的特征方程为首先做劳斯表，将方程的各系数间隔的填入前两行中，如下表：其中，劳斯阵列表中系数计算方法为：直至其余项均为零。将计算各项依照上述法则全部计算完毕，填入劳斯表中。计算劳斯表呈三角形，系统稳定的充分必要条件为：I：

如果第一列中的数据全部大于零，系统就是稳定的；否则系统是不稳定的。II：劳斯阵列的第一列系数出现了0，则出现临界稳定，该系统具有纯虚根，系统也是不稳定的。III：劳斯阵列的第一列系数出现了负数，则出现系统不稳定，该系统存在右极点。IV：劳斯阵列的第一列系数出现的符号变换次数为右极点的个数。由公式得到：由劳斯阵列得：1K20K得到K>0，又由系统所给参数得到，所以在K在系统稳定。3.2稳态（精度）分析该系统为=1\*ROMANI型二阶系统，输入信号为斜坡信号。3.2.1跟踪能力由图3.1可知系统为=1\*ROMANI型系统。当对数幅频特性穿过0db线时，相角大于-π，因此闭环系统是稳定的。该系统可以完全跟踪阶跃信号；可以跟踪速度信号，但有恒定的误差。3.2.2静态误差的计算由设计参数得：输入信号为：（其中：a=b=）系统为=1\*ROMANI型系统，静态位置误差系数，静态速度误差系数，系统的误差为位置误差与速度误差之和：又将、代入上式中得：解得：说明：根据已知参数，，在允许的设计参数范围内，所以合理（），即可调电阻的可调范围变为,也就是可调电阻。所以3.2.3对误差ess进行验证将输入信号作拉氏变换有则3.3系统动态分析原系统的开怀传递函数与闭环特征方程:闭环特征方程：闭环主导极点为：二阶系统的开怀传递函数为：闭环传递函数为闭环特征方程：3.3.1动态平稳性分析在满足精度的前提下由（2-1）式得：113.16nnrad/s3.3.2快速性分析该系统不在要求的动态ess≤0.8：бp%≤8.5%;ts≤2s中所以该系统不能满足要求。3.3.3结论在满足精度的要求下，平稳性可以调节达到所需要求；而快速性无论如何调节，都无法达到指标要求。第四章系统综合校正设计4.1校正方案的分析4.1.1校正方案的分析系统校正，是在原系统中增加校正装置，改变系统的整体结构来实现的。根据校正装置在系统中的位置的不同，校正结构的不同形式主要可以分为串联校正和并联校正。串联校正：是在系统主反馈回路内采用的校正方法，校正装置串联在系统的前向通路中。常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种类型。在许多情况下,它们都是由电阻、电容按不同方式连接成的一些四端网络。各类校正装置的特性可用它们的传递函数来表示，此外也常采用频率响应的波德图来表示。不同类型的校正装置对信号产生不同的校正作用，以满足不同要求的控制系统在改善特性上的需要。并联校正：是在系统主反馈回路内采用的校正方法，在系统中增加某些局部反馈环节。超前校正：就是使相位超前的特性，根轨迹中使用的微分校正网络。超前校正不改变低频特性，所以不能提高稳定精度，若想进一步提高开环增益，以提高稳态精度，则会降低系统抗高频干扰的能力。滞后校正：就是使相位滞后的特性，与根轨迹中的积分校正网络相同。适用于高精度、而快速性不高的系统。如恒温控制等。超前-滞后校正：是超前和滞后校正结合在一起使用，但是计算步骤比较繁琐。4.2校正方案的确立由于串联校正针对快速性和平稳性都达不到要求的系统，并联校正针对平稳性可以达到要求但快速性达不到要求的系统。4.3采用串联校正。4.3.1确定系统期望数学模型1.所对应的%=33.4%；。2.当>10，上调，会使，，而快速性。3.系统的主要矛盾是快速性问题。1.求取和校正后的闭环传递函数为：4.3.2数学模型与期望的参数求取1.得到期望的数学框图-图4-14.2.3绘制期望的根轨迹图根轨迹：是指当系统开环传递函数中某一参数从零变化到无穷时，闭环特征方程式的根在s平面上的运动的轨迹。而根轨迹是在已知控制系统开环传递函数零，极点在s平面分布的基础上，研究某一个或参数的变化对控制系统闭环传递函数极点分布影响的一种图解方法。因此，利用系统的根轨迹不仅可以分析结构，参数已知的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可以分析参数变化对系统性能的影响。根轨迹法的最大优点在于只需要通过简单的计算，即可看出某一参数变化对系统闭环极点的影响趋势。这种定性分析，在研究和设计控制系统是具有重要意义，并且在改善系统性能方面具有指导作用。图4-2说明，根轨迹在左半平面，说明系统稳定。第五章系统模拟5.1原系统的物理模拟图图5-1说明：如图5-1所示，给系统增加一个反相器，可使系统输入输出都为正。其中5.2校正装置物理模拟图由4.2.2得所以物理模拟图为：图5-25.3综合后校正模拟图由于校正后的系统为主负反馈，为方便画阶跃响应曲线，将校正后的系统加一个反相器，使之输出为正。则系统的模拟图（加反相器）为：图5-3所以，在matlab中，程序如下图：原系统单位阶跃响应曲线在matlab中画出图5-2系统的响应曲线，程序如下图：图5-4系统的单位阶跃响应曲线如下图5-5：图5-5上图中，在matlab中，程序如下图：图5-7系统的单位阶跃响应曲线如下图5-8：图5-8上图6-4中第六章设计小结6.1心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，自动控制原理已经成为在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握好自动控制原理为专业课打下坚实的基础是十分重要的。课程设计把平时学习的理论应用到实践中，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过本次课程设计，我学会了怎么使用proteus仿真软件和matlab仿真软件绘图，使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多的问题，最终在老师和同学的帮助下终于游逆而解。同时，在汪老师的身上我学得到很多实用的知识！6.2致谢本文是在我们老师的谆谆教诲和悉心指导下完成。汪老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并时刻能够把握最新科技的前沿，了解当今世界顶级研究动态，让我受益匪浅，生活上平易近人，和蔼可亲，令我钦佩不已，是我学习和生活中的榜样；老师渊博的知识、严谨的作风、高度的责任感以及忘我的工作热情，将永远激励我在以后的学习生活中开拓进取、奋发向上。汪老师一直监督我们的进度，及时进行评讲和指导，让我在实际锻炼中不断进步。在此，谨向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。在此尤其要感谢我周围的这些同学，感谢他们不厌其烦的指导我，他们对本文的完成以及修订提供了很多的宝贵的指导意见，并提出了修改方案，感谢他们所做的工作。参考文献[1]孙亮,杨鹏.自动控制原理.北京：北京工业，1999[2]孟华.自动控制原理。北京：机械工业，2113[3]王孝武.现代控制理论基础.机械工程出版社，2006[4]/p-919954791946.html基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发HYPE