飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計

1、學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計題 目飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院自動化學(xué)院專 業(yè)自動化班 級自動化1002班姓 名指導(dǎo)教師肖純2012年12月19日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：自動化1003班指導(dǎo)教師： 肖 純 工作單位： 自動化學(xué)院 題 目: 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 要求設(shè)計控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時間ts秒，單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，相角裕度大于75度。要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計一個控制器，使系統(tǒng)滿足上述性能指標(biāo)；（2） 畫出系統(tǒng)在校正前后的奈奎斯特曲線和波特圖；（3） 用Matlab畫出上

2、述每種情況的階躍響應(yīng)曲線，并根據(jù)曲線分析系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)；（4） 對上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程，給出響應(yīng)曲線，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務(wù)處標(biāo)準(zhǔn)書寫。時間安排： 任務(wù)時間（天）指導(dǎo)老師下達(dá)任務(wù)書，審題、查閱相關(guān)資料2分析、計算2編寫程序1撰寫報告2論文答辯1指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自動控制技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。自動控制就是在沒有人的參與下，系統(tǒng)的控制器自動的按照人預(yù)訂的要求控制設(shè)備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。在實際中常常要求在

3、達(dá)到制定性能指標(biāo)的同時能更加節(jié)約成本、能具有更加優(yōu)良的效果。本次飛行器設(shè)計中，采用頻域校正的方法使系統(tǒng)達(dá)到指定的性能指標(biāo)，同時采用matlab仿真軟件更加直觀的進(jìn)行仿真分析和驗證。在此設(shè)計中主要采用超前校正的方法來對系統(tǒng)進(jìn)行性能的改進(jìn)，通過分析、設(shè)計、仿真、寫實驗報告書的過程，進(jìn)一步加深了對自動控制原理基本知識的理解和認(rèn)識，同時通過仿真系統(tǒng)的奈奎斯特圖、bode圖、單位階躍響應(yīng)曲線，進(jìn)一步理解了系統(tǒng)的性能指標(biāo)的含義，同時也加深了對matlab仿真的掌握，培養(yǎng)了認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的能力。目錄1理論分析與計算1 1.1初始條件及設(shè)計要求1 1.2 分析與計算12 校正前后系統(tǒng)的matla

4、b仿真32.1校正前系統(tǒng)的仿真32.1.1 校正前系統(tǒng)bode圖32.1.2 校正前系統(tǒng)奈奎斯特曲線32.1.3 校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線42.2校正后系統(tǒng)matlab仿真6校正后系統(tǒng)的bode圖62.2.2 校正后系統(tǒng)奈奎斯特曲線6校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線73校正前后系統(tǒng)性能比較93.1校正前后系統(tǒng)bode圖比較93.2校正前后系統(tǒng)那奎斯特曲線比較103.3校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較114課程設(shè)計小結(jié)135 參考文獻(xiàn)141理論分析與計算 1.1初始條件及設(shè)計要求飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 主要性能指標(biāo)： 調(diào)節(jié)時間ts=0.008秒， 單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差， 相角裕度大于75度

5、。1.2 分析與計算由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)以及系統(tǒng)需要達(dá)到的性能指標(biāo)要求可知需對系統(tǒng)進(jìn)行校正，采用頻域矯正法對系統(tǒng)進(jìn)行校正。根據(jù)給定的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，首先確定符合要求的開環(huán)增益K。設(shè)計要求中要求在單位斜坡信號作用下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，故校正后的系統(tǒng)還是1型系統(tǒng)。單位斜坡輸入下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差求法如下：=又有：解得，所以應(yīng)取=182從而將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)化為：計算校正前系統(tǒng)的截止頻率：=1又有： 計算得出。要求校正后的系統(tǒng)的相位裕度 ，因此可知補充的相位裕度不超過，因此可以采用超前校正的方法。此時有： 取，則： 令：-10lg15.4dB=20lg計算得=1770，因此：=0.000144所以得出超前校正環(huán)

6、節(jié)為： 得到校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 2 校正前后系統(tǒng)的matlab仿真2.1校正前系統(tǒng)的仿真 校正前系統(tǒng)bode圖校正前系統(tǒng)Bode圖源程序如下： num=819000 den=1,316.2,0 bode(num,den)圖1 校正前系統(tǒng)bode圖 校正前系統(tǒng)奈奎斯特曲線校正前系統(tǒng)奈奎斯特圖源程序如下： num=819000 den=1,361.2,0 nyquist(num,den)圖2 校正前系統(tǒng)奈奎斯特曲線 校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線校正前系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)源程序如下： num=819000 den=1,361.2,819000 step(num,den)圖

7、3 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線由系統(tǒng)的響應(yīng)曲線可知系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.0217s遠(yuǎn)大于0.008s，系統(tǒng)的超調(diào)時間為0.00349s、超調(diào)量為0.527，都比較大。2.2校正后系統(tǒng)matlab仿真校正后系統(tǒng)的bode圖校正后系統(tǒng)bode圖源程序如下：G=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.0001444,1,0),bode(G)G = 1818 s + 819000 - 0.0001444 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s 圖4 校正后系統(tǒng)bode圖由校正后系統(tǒng)bode圖可以看出校正后系統(tǒng)相位裕度達(dá)到，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。 校正后系統(tǒng)奈奎斯特曲線

8、校正后系統(tǒng)奈奎斯特圖源程序如下： G=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.0001444,1,0),nyquist(G)G = 1818 s + 819000 - 0.0001444 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s圖5校正后系統(tǒng)奈奎斯特曲線校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線校正后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)源程序如下：num=1818.18,819000 den=0.000144,1.052,2179.38,819000 step(num,den) 由校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線可知系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間tss，小于給定值0.008s，能夠滿足系統(tǒng)

9、動態(tài)性能指標(biāo)要求。圖6 校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線3校正前后系統(tǒng)性能比較31校正前后系統(tǒng)bode圖比較校正前后系統(tǒng)比較的bode圖源程序如下，其中g(shù)1函數(shù)表示校正前系統(tǒng)，g2函數(shù)表示校正后系統(tǒng)： num=819000den=1,361.2,0g1=tf(num,den)g1 = 819000 - s2 + 361.2 s g2=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.0001444,1,0)g2 = 1818 s + 819000 - 0.0001444 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s bode(g1,g2)由校正前后系統(tǒng)bode圖可以看出，校正后

10、系統(tǒng)截止頻率變大，系統(tǒng)的相相位裕度變大，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。圖7 校正前后系統(tǒng)bode圖比較3.2校正前后系統(tǒng)奈奎斯特曲線比較校正前后系統(tǒng)比較的奈奎斯特圖源程序如下，其中g(shù)1函數(shù)表示校正前系統(tǒng)，g2函數(shù)表示校正后系統(tǒng)： num=819000 den=1,361.2,0 g1=tf(num,den)g1 = 81900 - s2 + 361.2 s g2=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.000144,1,0)g2 = 181.8 s + 81900 - 0.000144 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s nyquist(g1,g2)圖8 校正前后

11、系統(tǒng)奈奎斯特曲線比較3.3校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較校正前后系統(tǒng)比較的單位階躍響應(yīng)源程序如下，其中g(shù)1函數(shù)表示校正前系統(tǒng)，g2函數(shù)表示校正后系統(tǒng)： num=819000 den=1,361.2,819000 g1=tf(num,den)g1 = 819000 - s2 + 361.2 s + 819000 num1=1818.18,819000 den1=0.000144,1.052,2179.38,819000 g2=tf(num1,den1)g2 = 1818 s + 819000 - 0.000144 s3 + 1.052 s2 +2179 s + 819000 step(g1,g2)

12、圖9 校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較由響應(yīng)曲線可以看出校正后系統(tǒng)的超調(diào)量大為減少，而且響應(yīng)速度大大加快，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。4課程設(shè)計小結(jié)課程設(shè)計對學(xué)生而言是其對所學(xué)課程內(nèi)容掌握情況的一次自我驗證，從而有著極其重 要的意義。通過課程設(shè)計能提高學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，能全面檢查并掌握所學(xué)內(nèi)容。伴隨著課設(shè)說明書的完成為期兩周的自動控制原理課程設(shè)計圓滿完成。俗話說“功夫 不負(fù)有心人，鐵杵也能磨成繡花針”，通過自己的努力，我也在今天完成了，看著老師仔細(xì)的驗收，并成功的完成任務(wù)，有種如釋重負(fù)的感覺，同時，看到成功的運用所學(xué)知識獨立完成課設(shè)要求，心中更多的是一種成就感。當(dāng)然，通過這次實踐我也受益匪淺

13、，從中學(xué)到了不少在書本中沒有的東西，明白了實踐與理論的結(jié)合是極其重要的，以及同學(xué)之間互相幫助的重要性，在遇到困難時運用學(xué)過的相關(guān)知識和恰當(dāng)?shù)姆椒ūM力去解決各個難題，通過自己不懈的努力與搭檔的配合來完成 這項任務(wù)。當(dāng)然，在整個課程設(shè)計中，我也遇到了許多的難題。例如階躍響應(yīng)函數(shù)讀取錯誤，剛開始我還以為是數(shù)據(jù)問題，經(jīng)過仔細(xì)檢查還是未得到解決，后來猜想可能是編程本身出錯， 經(jīng)過認(rèn)真檢查后，重新輸入數(shù)據(jù)，matlab 終于得到正確結(jié)果。致使問題得到了解決，同時也松了一口氣。過程是艱辛的，但結(jié)果是令人興奮的，看著自己寫的課設(shè)說明書，心理覺得非常有成就感，這幾天的努力并沒有付諸東流。雖然課設(shè)已經(jīng)告一段落，但是我們學(xué)習(xí)的道路還很長。此次課設(shè)讓我明白不論是在做實驗還是在今后的學(xué)習(xí)中，都應(yīng)該有一種堅定不移不達(dá)目的不罷休的信念，只有這樣才能達(dá)到自己的最終目標(biāo)！5 參考文獻(xiàn)1 薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計. 北京：清華大學(xué)出版社，2006 2 胡壽松. 自動控制原理(第四版). 北京：科學(xué)出版社，20013 李道根. 自動控制原理. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20074 吳曉燕，張雙選. MATLAB 在自動控制中的應(yīng)用. 西安：電子科技出版社，20065 王萬良.自動控制原理，北京：高等教育出版社，2008本科生課程設(shè)計成