自動控制原理課程設計報告---控制系統(tǒng)的綜合設計

1、<p>　　自動控制原理課程設計</p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　設計題目： 控制系統(tǒng)的綜合設計 </p><p>　　班級：自動化0943</p><p><b>　　學生姓名：XXX</b></p><p>

2、;<b>　　學號：XX</b></p><p>　　指導教師： XX </p><p>　　分院院長： XXX </p><p>　　教研室主任： XX </p><p><b>　　電氣工程學院</b></p><p><b>　　目錄<

3、/b></p><p>　　第一章 課程設計內容與要求分析1</p><p><b>　　1.1設計內容1</b></p><p>　　1.2 設計要求1</p><p>　　1.3 Matlab軟件2</p><p>　　1.3.1基本功能2</p><p&g

4、t;<b>　　1.3.2應用3</b></p><p>　　第二章 控制系統(tǒng)程序設計4</p><p>　　2.1 校正裝置計算方法4</p><p>　　2.2 課程設計要求計算4</p><p>　　第三章 利用Matlab仿真軟件進行輔助分析6</p><p>　　3.1校正系

5、統(tǒng)的傳遞函數(shù)6</p><p>　　3.2用Matlab仿真6</p><p>　　3.3利用Matlab/Simulink求系統(tǒng)單位階躍響應10</p><p>　　3.2.1原系統(tǒng)單位階躍響應10</p><p>　　3.2.2校正后系統(tǒng)單位階躍響應11</p><p>　　3.2.3校正前、后系統(tǒng)單位階

6、躍響應比較12</p><p>　　3.4硬件設計13</p><p>　　3.4.1在計算機上運行出硬件仿真波形圖14</p><p>　　課程設計心得體會16</p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p>　　第一章 課程設計內容與要求分析</p>

7、<p><b>　　1.1設計內容</b></p><p><b>　　針對二階系統(tǒng)</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　利用有源串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡（如圖所示）進行系統(tǒng)校正。當開關S接通時為超前校正裝置，其傳遞函數(shù)</p><p><

8、;b>　　，</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　，，，</b></p><p>　　“-”號表示反向輸入端。若Kc=1，且開關S斷開，該裝置相當于一個放大系數(shù)為1的放大器（對原系統(tǒng)沒有校正作用）。</p><p><b>　　1

9、.2 設計要求</b></p><p>　　1）引入該校正裝置后，單位斜坡輸入信號作用時穩(wěn)態(tài)誤差，開環(huán)截止頻率c’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°；</p><p>　　2）根據(jù)性能指標要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；</p><p>　　3）利用對數(shù)坐標紙手工繪制校正前、后及校正裝置對數(shù)頻率特性曲線；</p><

10、p>　　4）設校正裝置R1=100K，R2=R3=50K，根據(jù)計算結果確定有源超前校正網(wǎng)絡元件參數(shù)R4、C值；</p><p>　　5）繪制引入校正裝置后系統(tǒng)電路圖（設給定的電阻和電容：R=100K，C=1F、10F若干個）；</p><p>　　6）利用Matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后及校正裝置對數(shù)頻率特性曲線,并驗算設計結果；</p><p>

11、　　7）在Matlab-Simulink下建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系</p><p>　　統(tǒng)單位階躍響應特性，并進行系統(tǒng)性能比較；</p><p>　　8）利用自動控制原理實驗箱完成硬件設計過程，包括：搭建校正前后系統(tǒng)電路、輸入階躍信號并通過示波器觀察校正前后系統(tǒng)輸出響應曲線。</p><p>　　1.3 Matlab軟件</p><p&g

12、t;<b>　　1.3.1基本功能</b></p><p>　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)

13、非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平?！?　　</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處

14、理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 　　</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接調用,用戶也可以將自己編

15、寫的實用程序導入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。</p><p><b>　　1.3.2應用</b></p><p>　　1、MATLAB 產品族可以用來進行以下各種工作： 　　</p><p><b>　　●數(shù)值分析 　</b>&l

16、t;/p><p>　　●數(shù)值和符號計算 　　</p><p>　　●工程與科學繪圖 　　</p><p>　　●控制系統(tǒng)的設計與仿真 　　</p><p>　　●數(shù)字圖像處理技術 　　</p><p>　　●數(shù)字信號處理技術 　　</p><p>　　●通訊系統(tǒng)設計與仿真</p>&l

17、t;p>　　●財務與金融工程　 </p><p>　　2、MATLAB在通訊系統(tǒng)設計與仿真的應用</p><p>　　MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB 函數(shù)集）擴展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。</p>&

18、lt;p>　　第二章 控制系統(tǒng)程序設計</p><p>　　2.1 校正裝置計算方法</p><p>　　設超前校正裝置傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　，rd>1</b></p><p>　　若校正后系統(tǒng)的截止頻率c=m，原系統(tǒng)在c處的對數(shù)幅值為L(c)，則：</p><p>

19、;<b>　　由此得：</b></p><p>　　由，得時間常數(shù)T為： </p><p>　　2.2 課程設計要求計算</p><p>　　解答過程：對于Ⅰ型系統(tǒng)，</p><p><b>　　，</b></p><p>　　得 故取 K=10。</p>

20、;<p><b>　　因此</b></p><p><b>　　要求?。?lt;/b></p><p>　　則有L)+10lg rd=0。</p><p>　　即 20lg10-20lg-20lg+10lg rd=0 </p><p><b>　　其相位欲度：</b>

21、</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　校正后傳遞函數(shù)：</b></p><p><b>　　D=</b></p><p><b>　　因此 </b></p><p><b>　　C=<

22、/b></p><p>　　第三章 利用Matlab仿真軟件進行輔助分析</p><p>　　3.1校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)</p><p>　　設：原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　校正裝置傳遞函數(shù)為</b></p

23、><p><b>　　，</b></p><p><b>　　則校正后傳遞函數(shù)為</b></p><p>　　3.2用Matlab仿真</p><p><b>　　num=[10];</b></p><p>　　den=[1,1,0];</p>

24、<p>　　W=tf(num,den); %求原系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(s)</p><p>　　bode(W); %繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性</p><p>　　margin(W); %求原系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率</p>

25、<p>　　[Gm,Pm,wj,wc]=margin(W);</p><p>　　grid; %繪制網(wǎng)格線</p><p>　　令a=1:進行仿真，得到下圖：校正前系統(tǒng)伯德圖</p><p>　　圖3-1 校正前系統(tǒng)伯德圖</p><p>　　numc=[b,1];</p&g

26、t;<p>　　denc=[c,1];</p><p>　　Wc=tf(numc,denc); %求校正裝置傳遞函數(shù)Wc(s)</p><p>　　bode(Wc); %繪制校正裝置對數(shù)頻率特性</p><p>　　grid;

27、 %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無）</p><p>　　已知求得：b=1/2.412（0.46）,c=1/7.236。進行仿真得下圖：系統(tǒng)校正裝置伯德圖。</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)校正裝置伯德圖</p><p>　　numh=conv(num,numc); </p><p>　　denh=conv(d

28、en,denc);</p><p>　　Wh=tf(numh,denh); %求校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(s)</p><p>　　bode(Wh); %繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性</p><p>　　margin(Wh); %求校正后系統(tǒng)幅值裕度、

29、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率</p><p>　　[Gm,Pm,wj,wc]=margin(Wh);</p><p>　　grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無</p><p>　　圖3-3 校正后系統(tǒng)伯德圖</p><p>　　bode(W,':');

30、 %繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性</p><p>　　hold on; %保留曲線，以便在同一坐標系內繪制其他特性</p><p>　　bode(Wc,'-.'); %繪制校正裝置對數(shù)頻率特性</p><p>　　hold on;

31、 %保留曲線，以便在同一坐標系內繪制其他特性</p><p>　　bode(Wh); %繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性</p><p>　　grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無）</p><p>　　圖3-4 校正前、后校正裝置伯德圖</p><p>

32、;　　3.3利用Matlab/Simulink求系統(tǒng)單位階躍響應</p><p>　　3.2.1原系統(tǒng)單位階躍響應</p><p>　　原系統(tǒng)仿真模型如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 校正前系統(tǒng)圖</p><p>　　系統(tǒng)運行后，其輸出階躍響應如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 校正前輸出階躍

33、響應曲線</p><p>　　3.2.2校正后系統(tǒng)單位階躍響應</p><p>　　校正后系統(tǒng)仿真模型如圖3-7所示：</p><p>　　圖3-7 矯正后系統(tǒng)圖</p><p>　　系統(tǒng)運行后，其輸出階躍響應如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 校正后系統(tǒng)階躍響應波形圖</p><p&g

34、t;　　3.2.3校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應比較</p><p>　　仿真模型如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 校正前、后系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　系統(tǒng)運行后，其輸出階躍響應如圖3-10所示：</p><p>　　圖3-10 校正前、后系統(tǒng)輸出階躍響應波形圖</p><p><b>　　

35、3.4硬件設計</b></p><p>　　繪制硬件校正裝置原理圖：</p><p>　　圖3-11 硬件校正裝置原理圖</p><p>　　3.4.1在計算機上運行出硬件仿真波形圖</p><p>　　未校正系統(tǒng)硬件波形：</p><p>　　圖3-12 未校正系統(tǒng)硬件仿真波形圖</p>&

36、lt;p>　　校正后系統(tǒng)硬件波形：</p><p>　　圖3-13 校正后系統(tǒng)硬件波形圖</p><p><b>　　課程設計心得體會</b></p><p>　　通過自動控制原理課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。這個方案使用了Matlab軟件，使我們有掌握了一個軟件的應用。</p><p>　　我覺

37、得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個原理的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多原理的功能。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末的課程設計對我們的作用是非常大的。</p><p>

38、　　我想說，設計確實有些困難，但苦中也有樂，在如今單一的理論學習中，很少有機會能有實踐的機會。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認為設計的工作有些枯燥，但我認為無論干什么，只要認真去做，一定會有好結果的。對我們而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。</p><p>　　雖然不是第一次做課程設計了，但是設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，同時

39、在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多專業(yè)知識問題，通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。</p><p>　　同時，在老師的身上我們學也到很多實用的知識，在次

40、我們表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝！</p><p>　　此次課程設計，學到了很多課內學不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應變。</p><p>　　在此，感謝于老師的細心指導，也同樣謝謝其他各組同學的無私幫助！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p

41、>　　[1] 史國生主編. 電氣控制與可編程控制器技術.北京:化學工業(yè)出版社.2004</p><p>　　[2] 王永華.現(xiàn)代電氣及可編程控制技術. 北京:北京航空航天大學出版社.2002</p><p>　　[3] 鄧則名.電器與可編程控制器應用技術.北京:機械工業(yè)出版社.1997</p><p>　　[4] 徐世許.可編程序控制器原理應用網(wǎng)絡.合肥:中國