自动控制原理课程设计8

重庆邮电大学移通学院

《自动控制原理》课程设计(简明)任务书

一供07级电气工程及其自动化专业本科学生用

引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学

环节，塔有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主

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。

设计题目：I型二阶系统的典型分析与综合设计

一.系统说明：

该I型系统物理模拟结构如下图。

5

其中：Ro=lOOKQ;CI=C2=10-F;R2=%RO

R「为线性滑动电位器，可调范围为:10/R。〜10R

设计过程中可忽略各种干扰，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。

二.系统参量：系统输入信号：r(t);

系统输出信号：y(t)；

四.设计指标：设定：输入为r（t）=a+bt（其中：a二5b二4）

在保证静态指标Kv=5（ess^0.8）的前提下，

要求动态期望指标:Op%W8.5%；tsW2sec；

五.基本要求：

1.建立系统数学模型一一传递函数；

2.利用频率特性法（或根轨迹方法）分析系统；

3.利用频域特性法（或根轨迹方法）综合系统；

4.完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；

5.完成系统综合前后的计算机仿真（验证）实验；

六.设计缴验：

1.课程设计计算说明书一份；

2.原系统组成结构原理图一张（自绘）；

3.系统分析，综合用精确BODE图（或根轨迹图）各一张;

4.系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）；

5.计算机仿真程序框图一张；

6.计算机仿真程序清单一份（附仿真实验结果图）；

7.封面装帧成册；

2

3

目录

第一章.系统概述........................................6

L1设计目的.............................................6

1.2系统原理简述.........................................6

1.3设计指标.............................................7

1.4基本要求.............................................7

第二章。系统建模.........................................7

2.1各环节建模.........................................7

2.2系统建模...........................................9

2.3简化结构框图.......................................10

第三章,系统分析.........................................10

3.1稳定性分析...........................................10

3.2精度分析.............................................11

3.3动态分析.............................................11

第四章.系统综合设计......................................14

4.1综合设计方案.......................................14

第五章.系统物理模拟...................................17

5.1原系统模拟图.........................................17

5.2速度反馈环节的模拟...................................17

5.3校正后系统模拟图.....................................18

第六章.结束语............................................19

6.1设计过程中的体会.......................................19

4

6.2致谢.....・••・•••]9

6.3参考文献.20

5

第一章.

㈠系统概述

1.1.设计目的

«自动控制原理》课程实稣是该课程的一个重要教学环节，它既

有别与毕业设计，更不同于教堂教学。它主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。

L2.系统原理简述

系统通过比例环节，存积分环节，惯性环节，实现I阶二型系统,

二阶系统结构图

结构图

以典型的单位反馈系统来分析二阶系统的单位阶跃响应。系统的

响应取决于闭环系统特征方程式的根，即闭环极点。求解二阶系统的

问题有二种类型，1）正面问题，给出传递函数，求性能指标。与标准

式相对比，求出，，外，而后代入性能指标公式计算性能指标。2）

反面问题，给定性能指标，求系统参数（如系统增益K,环节时间常

数T）根据给定的传递函数与标准型式对比，找出参数与e，3的

关系。其次依据给定的性能指标应用性能指标公式，计算出小，外的

值。依据参数与6，0n的关系计算出参数

6

1.3.设计指标。

设定：输入为r（t）=a+bt,（其中：a=5b=4）

在保证静态指标Kv=5（ess^0.8）的前提下，

要求动态期望指标：6P%<8.5%;ts<2sec;

1.4o基本要求：

1建立系统数学模型一一传递函数；

2利用频率特性法（或根轨迹方法）分析系统；

3利用频率特性法（或根轨迹方法）综合系统；

4完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验;

5完成系统综合前后的计算机仿真（验证）实验。

第二章.系统建模.

2.1.各环节建模型（环节结构图，输入一一输出，传递函数）。

系统为有源输入网络，课分为三个环节。

（1）.比例环节

系统结构如下图（1）,

结构框图如图（2）,

传递函数G1——K1

7

图（1）图(2)

（2）纯积分环节

系统结构如下图（3）,

结构框图如图（4）

=_丫心)=

G?(s)Zj(s)=.1=K?=_1

Yi(s)Zf(s)RoGST2sS

图（3）图（4）

（3）惯性环节

系统结构如下图（5）,

结构框图如图（6）

8

图5图6

G3(S)=-R2Ki1

7?o(l+R2C2S)ns+lS+2

22系统模型

Go(s)=GI(S)G2(S)G3(S)

G。（S）=7^=G

邢尸号

如下图（7）整个系统结构图

图（8）为系统框图结构

图7

9

图8

2.3.简化结构框匡，代人参数。可得如图9

s(s+2)

图9

10

第三章.系统分析

简化系统后，系统等价数模:

Go⑸二」一

7S(S+2)

3.1判断系统稳定性：稳定是首要条件。(按照基本知识，阻

尼系数4存在，即4>0,且一次项系数不等于0,则可判断

系统稳定)。

系统特征方程为：

2

S+2S+KP=0

该系统俩个极点都分布于S平面左半部分，可判定该系

统稳定。

3.2精度分析：

该系统为I型二阶系统，输入为斜坡输入。

(1)跟随能力：I型二阶系统在斜坡输入作用下课完仝跟随阶跃信

号，也可跟随速度信号，但存在一个稳定误差。

稳定误差：

(2)ess

系统参考输入为斜坡函数，r(t)=a+bt。则系统的稳态误

差为

ess=esp+esv

esp=0

e——

SVKo

又=

KoLinh—>os.Go(s)~-y-

e=e=A

sssvko

11

要使esW0.8,则Kp?lO；

3.3动态分析

(1)运用根轨迹法

系统开环传递函数为Go(s)

系统零点Z1,2：8,8极点：S1=0,S2=-2

G°(S)分母阶次为n,分子阶次为m

因为n-m=2>2.则系统闭环极点之和等于开环极点之和。

s重心=V=一］

实轴坐标为T,极点重心不变。根轨迹如下图10

图10

(2)分析

KP：0-KA俩根均在实轴;

12

—►co

KP：KA二阶欠阻尼系统;

选取K，的值，特征方程

2

S+2S+KP=0

在A点：sA=s1.2-i±j-ewn±jwnA/r^

I'SUI二JY

1RCSI,21-专T

一q二巨二o.707

2

A60%=*♦x100%=4.3%

41-42

满足6p%<8.5%o

|G)(S)|SU=1

Ts=(3~4)—=(3~4)sec

加

不满足ts<2sec的条件

另选取一个L值。

在B点

2

SB=S].2二T±3户-eWn±j3wjl-^

1IIni51.21Ig_

吟=w3

-4=VOJ=O.316

-

・・・60%=e-?J=x100%=6.8%

满足6p%<8.5%的条件。

ts=(3~4)」—=(3~4)sec

泌

13

不满足ts<2sec的条件。

说明：该系统通过调整Ki,可改变6。%,求出最优，但不能满足快速

性tSo

14

第四章.

系统综合设计：

4.1综合设计方案：通过前面的分析可知，原系统满足期望指标

6p%<8.5%o关键是ts，要提高系统响应速度，则须采用

速度反馈。

改进之后的系统结构框图如图11所示。可简化为图12.

图11

r(s)

s)

图12

15

取KP等于1。，则GMS尸果詈

D(S)=l+Goc(S)=0

D(S)=1+10/5

5+25+10

Go,(s)=lOzs

(S+1+J)(S+D

图13

可知，^WI>2,则ts=(3'4)—=1.5"2sec

nI

则校正原系统:

可得G0(S)10(l+z5)

S(S+2)

104峭

则有Go。（S）二

S2+2S+\0(S+1+73)(5+1-J3)

绘制P-参数根轨迹：零点：0,8。

16

极点坐标：(T+j3),(T-j3)

则期望根轨迹根轨迹如图14

图14

由图，通过计算：（b『198.5°<b>-198.5°

Bp%<8.5%,ts<2sec

/—X100%=8%

ATF

可得q%0.63

在图14上做等分线：

因为SlYWn±jWn斤？

所以I21|二正1二1.23=小

1Re51,2|-1

等分线与根轨迹交点：

7

SA1.A2=-2±j2.45Wn±JXAA7

得ts=（3~4）—二（1.5~2）sec

17

确定满足指标7,速度反馈

2

DOT(S)=S+2S+10+10TS=0;

S2+(2+10T)S+10=0;

S_-(2+10S)±7(2+10r)2-40

122

=-2±j2.45

所以.(1+5T)=~2

T=0.2

第五章。

5.1原系统的模拟图.(带入数据)如图15

图15

5.2速度反馈环节的模拟。如图16

18

Rf

UI

图16

5.3校正后系统模拟图。图17

图17

19

第六章。结束语

6.1设计过程的体会，心得.

初次这个课程设计，确实觉得很棘手。再加上刚放寒假回来，离

上学期学的也过去了一段时间，有些遗忘。因此在着手做这个设计的

时候也感到比较难，经过仔细听听老帅的讲解之后，再次深刻的体会

到冰冻三尺非一日之寒，一件事只有踏踏实实的从头开始，最后才会

有条不紊的完成。