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文檔簡介

1、信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計報告書課程名稱: 自動控制原理課程設(shè)計 班 級: 自動化 學(xué) 號: 姓 名: 指導(dǎo)教師: 陳琳 二一三 年 十二 月一 、設(shè)計目的1.掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正方法、步驟。2.掌握對系統(tǒng)相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差和剪切頻率以及動態(tài)特性分析。3.掌握利用MATLAB對控制理論內(nèi)容進(jìn)行分析和研究的技能。4.提高分析問題解決問題的能力。二、設(shè)計任務(wù)與要求2.1設(shè)計任務(wù)題目一、(學(xué)號尾號為奇數(shù)學(xué)生選作)已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)被控制對象的開環(huán)傳遞函數(shù)為任務(wù):用串聯(lián)校正的頻率域方法對系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計,使系統(tǒng)滿足如下動態(tài)及靜態(tài)性能指標(biāo):1) 靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv30;2) 2)系統(tǒng)校正后,相

2、位裕量45;3)對于頻率=0.1,振幅為3的正弦輸入信號,穩(wěn)態(tài)誤差的振幅不大于0.1。2.2設(shè)計要求課程設(shè)計報告的內(nèi)容應(yīng)包括以下6個部分:1)分析設(shè)計要求,說明串聯(lián)校正的設(shè)計思路(滯后校正,超前校正或滯后-超前校正);2)詳細(xì)設(shè)計(包括的圖形有:串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖,校正前系統(tǒng)的Bode圖,校正裝置的Bode圖,校正后系統(tǒng)的Bode圖);3)MATLAB編程代碼及運(yùn)行結(jié)果(包括圖形、運(yùn)算結(jié)果);4)校正實現(xiàn)的電路圖及實驗結(jié)果(校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖);5)三種校正方法及裝置的比較;6)總結(jié)(包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲、對本次課程設(shè)計的認(rèn)識等內(nèi)容)。三、設(shè)計方法步驟及設(shè)計校正結(jié)構(gòu)圖(1)串聯(lián)

3、校正的設(shè)計思路 1)校正前系統(tǒng)分析 因為題目要求靜態(tài)速度誤差系數(shù)大于30,所以K=30,所以開環(huán)傳遞函數(shù)為: 經(jīng)計算系統(tǒng)的剪切頻率為:,相位裕度為 2)在MATLAB中編寫如下程序: h1=tf(30,1 0); h2=tf(1,0.1 1); h3=tf(1,0.2 1); h=h1*h2*h3; num,den=tfdata(h); mag,phase,w=bode(num,den); subplot(211); semilogx(w,20*log10(mag);grid subplot(212); semilogx(w,phase);grid gm,pm,wcg,wcp=margin(m

4、ag,phase,w)未校正前bode圖:由圖知,相位裕度為 -17.2054,截止頻率為 9.7680 rad/s.。因為系統(tǒng)不穩(wěn)定,不宜采用相位超前校正,故采用滯后校正。(2)詳細(xì)設(shè)計 1)根據(jù)系統(tǒng)相位裕度大于45度的要求,串聯(lián)校正后相角裕度應(yīng)為:又因為:即:則可解的:當(dāng)時,令未校正系統(tǒng)的開環(huán)增益為,從而求出串聯(lián)滯后校正裝置的系數(shù),由于未校正系統(tǒng)的增益在時為,故有解的: 選定: 則: 于是,滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為: 2)對于頻率為,幅值為3的正弦輸入信號穩(wěn)態(tài)誤差的檢驗:因為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差傳遞函數(shù)為: 所以有: 其頻率特性為:把帶入得: 又因為輸入信號的振幅為3,所以

5、穩(wěn)態(tài)誤差的振幅為,所以穩(wěn)態(tài)誤差的振幅為0.06570.1,故滿足題目要求。校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:即: 校正裝置的bode圖:校正后系統(tǒng)的bode圖: (3)MATLAB編程代碼及運(yùn)行結(jié)果 1)編程代碼 h1=tf(30,1 0); h2=tf(1,0.1 1); h3=tf(1,0.2 1); h4=tf(1 0.39,25.64 0.39) h=h1*h2*h3*h4; num,den=tfdata(h); mag,phase,w=bode(num,den); subplot(211); semilogx(w,20*log10(mag);grid subplot(212); semilogx(w

6、,phase);grid gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)2) 運(yùn)行結(jié)果 相位裕度:pm = 52.1244;幅值穿越頻率:wcp = 1.1897校正后系統(tǒng)的bode圖(4)校正實現(xiàn)的電路圖及實驗結(jié)果 (1)校正實現(xiàn)的電路圖 (2)實驗結(jié)果 1)校正前的單位階躍響應(yīng): 在MATLAB中編寫如下程序: num=30; den=0.02,0.3,1,30; t=0:0.1:10; y,x,t=step(num,den,t); plot(t,y);grid; xlabel(Time sec t); ylabel(y); 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 2)校正后的單位階

7、躍響應(yīng): 在MATLAB中編寫如下程序: num=30 11.7; den=0.5128,7.7,25.76,30.39,11.7; t=0:0.1:10; y,x,t=step(num,den,t); plot(t,y);grid; xlabel(Time sec t); ylabel(y); 校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)(5) 三種校正方法及裝置的比較:超前校正:因為原系統(tǒng)不穩(wěn)定且開環(huán)相頻特性曲線在幅值穿越頻率附近有較大的負(fù)斜率,不宜采用相位超前校正;因為隨著幅值穿越頻率的增加,原系統(tǒng)負(fù)相角增加的速度將超過超前校正裝置正相角增加的速度,超前網(wǎng)絡(luò)就起不到補(bǔ)償滯后相角的作用了。滯后校正:滯后校正裝

8、置具有低通濾波的特性,利用它的高頻衰減特性降低系統(tǒng)的幅值穿越頻率, 可以提高系統(tǒng)的相角裕度,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。滯后校正裝置還具有相位滯后的特性,它具有積分的特性,由于積分特性可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,因此滯后校正通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。此外,滯后校正裝置能夠在保持系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)不變的情況下,減小剪切頻率,從而增加了相角裕度,提高了系統(tǒng)相對穩(wěn)定性;在保持系統(tǒng)相對穩(wěn)定性不變的情況下,可以提高系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù),從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能;此題要求的穩(wěn)態(tài)性能較高,所以可以選用滯后校正。滯后超前校正:在系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能都有待改善時,單純采用超前或滯后校正往往難以奏效,在這種情況下采用滯后-超前校

9、正效果較好,利用校正裝置的滯后特性改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能提高系統(tǒng)精度,而利用它的超前作用來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能提高系統(tǒng)的相角裕度和響應(yīng)速度等。此題主要要求穩(wěn)態(tài)性能要好,因此用滯后裝置即可。四、總結(jié)通過本學(xué)期對自動控制原理這門課程的學(xué)習(xí),是我對自動化專業(yè)有了更深的了解,同時極大的提高了我對自動化專業(yè)的興趣。課堂學(xué)習(xí)主要注重于理論知識,而我們要將所學(xué)知識應(yīng)用于實際,在此階段,課程設(shè)計便是最好的選擇了,通過課程設(shè)計,我們可以溫習(xí)我們所學(xué)的理論知識,掌握自動控制原理中各種校正裝置的作用及用法,學(xué)會根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計,并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標(biāo);對于串聯(lián)滯后校正,通過校正前后系統(tǒng)Bode圖的比較,我知道校正提高了系統(tǒng)相角裕度,降低了截止頻率,并且引入了開環(huán)零極點(diǎn)。此次課程設(shè)計讓我進(jìn)一步加深對MATLAB軟件的認(rèn)識和理解,學(xué)會了使用MATLAB語言來進(jìn)行基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算,這讓我感覺到MATLAB這個軟件的優(yōu)越性,用它來解復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式避免了傳統(tǒng)復(fù)雜的解答過程,這都給我們提供了極大的便捷。對于本次設(shè)計,我更加深入的了解了MATLAB中各種系統(tǒng)語言,學(xué)會了用

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