自动控制原理课程设计11.doc

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1、自动控制原理课程设计目 录一、设计目的2二、设计要求2三、设计任务2四、设计原理概述2五、设计方法与步骤51、校正函数的设计52、函数特征根63、函数动态性能84、根轨迹图和Nyquist图125、Bode图17设计总结21参考文献22一、设计目的1、了解控制系统设计的一般方法、步骤。2、掌握对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析的方法。3、掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。4、提高分析问题解决问题的能力。二、设计要求1、能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。2、能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。、3、能灵活应用MATLAB的CONTROL

2、 SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。三、设计任务已知单位负反馈系统的开环传递函数，试用频率法设计串联校正装置，要求校正后系统的静态速度误差系数，系统的相角裕度，校正后的剪切频率。四、设计原理概述校正方式的选择。按照校正装置在系统中的链接方式，控制系统校正方式分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正4种。串联校正是最常用的一种校正方式，这种方式经济，且设计简单，易于实现，在实际应用中多采用这种校正方式。串联校正方式是校正器与受控对象进行串联连接的。本设计按照要求将采用串联校正方式进行校。校正方法的选择。根据控制系统的性能指标表达方式可以进行校正方法的确定。本设计要

3、求以频域指标的形式给出，因此采用基于Bode图的频域法进行校正。 几种串联校正简述。串联校正可分为串联超前校正、串联滞后校正和滞后-超前校正等。超前校正的目的是改善系统的动态性能，实现在系统静态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。滞后校正通过加入滞后校正环节，使系统的开环增益有较大幅度增加，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越

4、频率前移，达到增加系统相位裕度的目的。滞后超前校正适用于对校正后系统的动态和静态性能有更多更高要求的场合。施加滞后超前校正环节，主要是利用其超前部分增大系统的相位裕度，以改善系统的动态性能；利用其滞后部分改善系统的静态性能。以上3种不同的校正方法的一般性设计步骤如下：1)根据静态性能指标，计算开环系统的增益。之后求取校正前系统的频率特性指标，并与设计要求进行比较。2)确定校正后期望的穿越频率，具体值的选取与所选择的校正方式相适应。3)根据待设计的校正环节的形式和转折频率，计算相关参数，进而确定校正环节。4)得出校正后系统。检验系统满足设计要求。如不满足则从第二步重新开始。在MATLAB中基于B

5、ode图进行系统设计的基本思路是通过比较校正前后的频率特性，尝试选定合适的校正环节，根据不同的设计原理，确定校正环节参数。最后对校正后的系统进行检验，并反复设计直至满足要求。五、设计方法与步骤1、基于MATLAB用频率法对系统进行串联校正设计，使其满足给定的频域性能指标。要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T，等的值。T=36.4889 =0.1121 校正函数Gc= 校正后开环传递函数Gs=2、利用MATLAB函数求出校正前与校正后系统的特征根，并判断其系统是否稳定，为什么?校正前： 系统不稳定，因为有两个右半平面的根。校正后：系统稳定，因为所有的根

6、都在左半平面。3、利用MATLAB作出系统校正前与校正后的单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，分析这三种曲线的关系？求出系统校正前与校正后的动态性能指标， ，以及稳态误差的值，并分析其有何变化？校正前： 因为校正前系统不稳定所以没有性能指标。校正后：=27.7003 tp=1.1455 tr=0.4667 ts=5.8126 ess=0校正前阶跃响应 校正后阶跃响应校正前冲击响应 校正后冲击响应校正前斜波响应 校正后斜波响应三条曲线关系：单位斜坡响应的一次导数是阶跃响应曲线，阶跃响应的一次导数是冲激响应。4、绘制系统校正前与校正后的根轨迹图，并求其分离点、汇合点及与虚轴交点的

7、坐标和相应点的增益值，得出系统稳定时增益的变化范围。绘制系统校正前与校正后的Nyquist图，判断系统的稳定性，并说明理由？校正前：校正前根轨迹图分离点-2.38 与虚轴的焦点为07.1218i 当取0.0204+7.1218i点时 k=(0 15.2575)系统稳定。校正前Nyquist图因为系统的Nyquist曲线顺时针包围点一圈所以N=-1则R=-2，没有实部为正的极点所以P=0，Z=P-R=0-(-2)=2，所以闭环系统是不稳定的。校正后： 校正后根轨迹图分离点-2.08 与虚轴的焦点为06.8450i 当取0.0102+6.8450i点时 k=(0 125.5572)系统稳定。 校正

8、后Nyquist图因为系统的Nyquist曲线没有包围点所以N=0则R=0，没有实部为正的极点所以P=0，Z=P-R=0-0=0，所以闭环系统是稳定的。5、绘制系统校正前与校正后的Bode图，计算系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率。判断系统的稳定性，并说明理由。校正前：校正前bode图幅值裕量=20lg （0.6000）=-4.4370dB相位裕量=-12.9919deg幅值穿越频率=7.0711rad/sec相位穿越频率=9.0101rad/sec因为开环传递函数没有实部为正的极点所以P=0，又因为L（W）0dB的频率范围内，对应的相频特性曲线对-线有一次正穿越，即N+=1

9、N-=0，则N=N+-N-=1-0，所以闭环系统不稳定。校正后： 校正后bode图幅值裕量=20lg(5.0037)=13.9858dB相位裕量=45.0112deg幅值穿越频率=2.45472.5rad/sec相位穿越频率=6.8368rad/sec因为开环传递函数没有实部为正的极点所以P=0，又因为L（W）0dB的频率范围内，对应的相频特性曲线对-线没有穿越，即N+=0，N-=0，则N=N+-N-=0-0=，所以闭环系统稳定。设计总结通过本次设计使我对自动控制原理的滞后校正有了更深层次的理解，虽然在对校正前函数各方面的参数用MATLAB仿真计算编程时遇到了一些困难，但在查阅大量资料之后，

10、使自己的设计思路逐渐明朗。在对设计校正函数时经过多次的反复校验才使获得的参数与期望的参数相匹配。通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容

11、与方法提供实践依据。对我们电气专业来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。在一个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对软件开发流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。参考文献1 程 鹏编.自动控制原理M.北京：高等教育出版社，2010.2 张德丰等编.MATLAB控制系统设计与仿真M. 北京：电子工业出版社，2009.3赵广元编. MATLAB与控制系统仿真实践M.北京：北京航空航天大学出版社，2009.22