自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)--對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)

1、<p>　　自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　首先，通過對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)分析，加強(qiáng)對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并掌握超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的方法。</p><p>　　其次，通過設(shè)計(jì)，培養(yǎng)分析問題解決問題的能力。此外，使用Matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而進(jìn)一步掌握Matlab的

2、使用。 </p><p>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：</p><p>　　初始條件：已知單位反饋水箱流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　要求：試用Bode圖設(shè)計(jì)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行超前串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足： </p><p>　?。?）系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　　（2）系

3、統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量</p><p>　　三、要求完成的主要任務(wù)：</p><p>　　（1）手畫出滿足初始條件的最小值的系統(tǒng)的Bode圖（用漸近線表示），計(jì)算出系統(tǒng)的相角裕量；</p><p>　?。?）在系統(tǒng)前向通道中插入一個(gè)相位超前校正網(wǎng)絡(luò)，確定校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；</p><p>　　（3）用Matlab畫出校正后的系統(tǒng)Bode圖

4、，并標(biāo)出開環(huán)剪切頻率及對(duì)應(yīng)的相角；</p><p>　　（4）在Matlab下，用simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在計(jì)算機(jī)上對(duì)人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；</p><p>　?。?）確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)；</p><p>　?。?）對(duì)上述任務(wù)寫出完整的的課程設(shè)計(jì)說明書，說明書中必須進(jìn)行原理分析，寫清楚計(jì)算的過程及分析的結(jié)果。</p&g

5、t;<p><b>　　四、設(shè)計(jì)任務(wù)分析：</b></p><p>　　雖然在頻域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一種間接的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)果滿足的是一些頻域指標(biāo)，而不是時(shí)域指標(biāo)。然而，在頻域內(nèi)設(shè)計(jì)又是一種簡便的方法，在Bode圖上雖不能嚴(yán)格定量地給出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但卻能方便的根據(jù)頻域指標(biāo)確定校正裝置的參數(shù)，特別是對(duì)以校正系統(tǒng)的高頻特性有要求時(shí)，采用頻域法校正較其他方法更為方便。<

6、;/p><p>　　一般來說，開環(huán)頻率特性的低頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；開環(huán)頻率特性的中頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；開環(huán)頻率特性的高頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性和噪音抑制功能。因此，用頻域法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，就是在系統(tǒng)中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，是開環(huán)系統(tǒng)的頻率形狀變成所期望的形狀：低頻段增益充分大，以保證穩(wěn)態(tài)誤差要求；中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性斜率一般為，并占有充分寬的頻帶，以保證具備適當(dāng)?shù)南嘟窃６?；高頻段增益

7、盡快減小，以削弱噪聲影響。</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)步驟：</b></p><p>　　（1）根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益 。</p><p>　　由要求（1）：系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　得 ， 取。</b>&

8、lt;/p><p>　?。?）繪制k=1000值下的系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量。</p><p>　　待校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　上式代表最小相位系統(tǒng)，因此，只需畫出其對(duì)數(shù)幅頻漸近線特性，如圖1所示。</p><p>　　圖（1）：未校正系統(tǒng)的Bode圖</p><p>　　由圖得待校正系統(tǒng)的開

9、環(huán)剪切頻率 </p><p>　　可算出待校正系統(tǒng)的相角裕量為</p><p>　　相角裕度小的原因，是因?yàn)榇Ｕ到y(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性中頻區(qū)的斜率是，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)有嚴(yán)重的振蕩，需要校正裝置校正。由于截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求，故采用串聯(lián)超前校正是合適的。

10、

11、 </p><p>　?。?）確定為使相角裕量達(dá)到要求值，所需增的超前相角。</p><p>　　加是考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的

12、相角裕量，未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec，故取該值。</p><p><b>　　取</b></p><p>　　（4）令超前校正網(wǎng)絡(luò)的最大超前相角，求校正裝置的參數(shù)。</p><p>　?。?）確定未校正系統(tǒng)幅值為的頻率。校正后系統(tǒng)的剪切頻率，校正網(wǎng)絡(luò)的對(duì)數(shù)幅值 </p><p>　　可計(jì)算出未校正系統(tǒng)在該

13、處的頻率，既可作為校正后的系統(tǒng)的剪切頻率。</p><p>　?。?）下面計(jì)算校正網(wǎng)絡(luò)的周期。</p><p>　　是和的幾何中點(diǎn)，所以有</p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　?。?）寫出校正裝置的傳遞函數(shù)。校正裝

14、置的傳遞函數(shù)為</p><p>　　（8）為補(bǔ)償超前校正網(wǎng)絡(luò)造成的幅值衰減，附加一個(gè)放大器</p><p>　　則校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　做出校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和Bode圖，如圖2所示。</p><p>　　圖（2）：校正后的系統(tǒng)的Bode圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　?。?）檢驗(yàn)系統(tǒng)的特性

15、，校正后的相角裕量為：</p><p><b>　　由于</b></p><p>　　校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足要求。</p><p>　　由Matlab畫出校正后的Bode，可以得到穩(wěn)定性裕量的精確值，。與上面求的值基本一致。由此可得，所選用的校正裝置能夠達(dá)到目的。</p><p>　?。?0）在Simulink仿真環(huán)境

16、下對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與校正前比較。加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型如圖3所示。其中校正前和校正后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4、5所示。</p><p>　　圖（3）： 加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型</p><p>　　圖（4）：校正前的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖（5）：校正后的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　通過仿真曲線可

17、以看出，校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，單位階躍響應(yīng)振蕩劇烈。而校正后的系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，其時(shí)域指標(biāo)性能指標(biāo)：無論是超調(diào)量還是調(diào)整時(shí)間都較小，故該校正裝置能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以取用。</p><p>　　超前校正裝置實(shí)質(zhì)是一個(gè)微分型補(bǔ)償器，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)，校正裝置可近似為</p><p>　　超前校正增加了系統(tǒng)的相位裕量和頻帶寬度，即增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加速了動(dòng)態(tài)過程。</p>&l

18、t;p>　?。?1）確定無源超前校正裝置。</p><p>　　如圖6所示為RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無源超前校正裝置，該裝置的傳遞函數(shù)為</p><p>　　圖（6）： RC超前網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　令則</b></p><p><b>　　可求得各參數(shù)為，。</b></p>

19、<p><b>　　取 可得。</b></p><p>　?。?2）該題還可采用Matlab來設(shè)計(jì)校正裝置，其程序如下：</p><p>　　%頻率特性的超前校正設(shè)計(jì)程序%</p><p><b>　　ng=1000;</b></p><p>　　dg=[0.0001 0.101 1 0]

20、;</p><p>　　g0=tf(ng,dg);</p><p><b>　　kc=1;</b></p><p>　　dpm=40+10;</p><p>　　[mag,phase,w]=bode(g0*kc);hold on</p><p>　　Mag=20*log10(mag);</p

21、><p>　　[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(g0*kc);</p><p>　　phi=(dpm-Pm)*pi/180;</p><p>　　alpha=(1+sin(phi))/(1-sin(phi));</p><p>　　Mn=-10*log10(alpha);</p><p>　　Wcgn=spli

22、ne(Mag,w,Mn);</p><p>　　T=1/Wcgn/sqrt(alpha);</p><p>　　Tz=alpha*T;Gc=tf([Tz 1],[T 1]);bode(Gc);hold on</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　bode(g0*kc*Gc);maRg

23、in(g0*kc*Gc);hold on</p><p><b>　　Gc</b></p><p>　　則校正裝置的傳遞函數(shù)為</p><p>　　校正前、校正后和校正裝置的頻率特性如圖（7）所示。</p><p>　　圖（7）：校正前、后和校正裝置的頻率特性</p><p>　　讀圖可得，系統(tǒng)的

24、開環(huán)剪切頻率，相角裕量。滿足系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　六、設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)表明，系統(tǒng)經(jīng)串聯(lián)校正后，中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性斜率為，并具有足夠的寬度，從而系統(tǒng)的相角裕量增大，動(dòng)態(tài)過程超調(diào)量下降。因此，在實(shí)際運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，其中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性大多具有的斜率。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)還讓我了解了自動(dòng)控制

25、原理中校正系統(tǒng)的基本概念及其對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用，通過對(duì)初步知識(shí)的了解，對(duì)校正系統(tǒng)各種方案的比較，進(jìn)一步了解了校正系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性。什么樣的課程設(shè)計(jì)都離不開理論與實(shí)際相結(jié)合的真理，設(shè)計(jì)過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定使我進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)到自控原理中校正環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的重要作用。一個(gè)細(xì)小的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致最后的性能指標(biāo)不和標(biāo)準(zhǔn)。所以選擇一個(gè)優(yōu)良的方案結(jié)于實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。 我認(rèn)為，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該怎樣少走一些彎路，怎樣能夠非常透徹的理

26、解系統(tǒng)并用簡單方法設(shè)計(jì)校正裝置，我想這是這次課程設(shè)計(jì)最鍛煉人的地方。然而這也要求我們有相當(dāng)厚實(shí)的理論基礎(chǔ)，并能很好地運(yùn)用到實(shí)際中去。這是我們學(xué)習(xí)和掌握好自控原理最重要的。我們運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，這不僅對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)帶來了方便，也能很準(zhǔn)確地為我們改動(dòng)參數(shù)提供依據(jù)，同時(shí)也讓我們對(duì)Matlab軟件進(jìn)行了又一步的學(xué)習(xí)，也為我們?cè)俅问炀氝\(yùn)用Matlab打下了基礎(chǔ)。 這次課程設(shè)計(jì)也鍛煉了我們的細(xì)心和耐心，這尤其體現(xiàn)在我們課程設(shè)計(jì)

27、報(bào)告的格式上，很多人格式上不過關(guān)，關(guān)鍵是他們太浮躁，不能細(xì)心地對(duì)待。格式很重要，不然，美觀切</p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　【1】胡壽松 自動(dòng)控制原理(第四版) 北京：科學(xué)出版社.2002</p><p>　　【2】謝克明主編. 自動(dòng)控制原理（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社. 2009</p>