自動控制原理課程設計---控制系統(tǒng)分析及整定

1、<p><b>　　</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　設計題目 控制系統(tǒng)分析及整定 </p><p>　　課 程 名 稱 自動控制原理課程設計 </p><p>　　系 部 </p&

2、gt;<p>　　專 業(yè) </p><p>　　班 級 </p><p>　　學 號 </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　起 止 日 期 </b></

3、p><p>　　指 導 教 師 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設計的目的 1</p><p>　　二、本課程設計課題任務的內容和要求1</p><p>　　2.1課程設計的主要內容：1</p><p>　　2

4、.2課程設計的要求：1</p><p>　　三、自動控制系統(tǒng)的分析及整定2</p><p>　　3.1、控制系統(tǒng)的時域分析2</p><p>　　3.2、控制系統(tǒng)的根軌跡分析6</p><p>　　3.3、控制系統(tǒng)的頻域分析12</p><p>　　3.4、單回路自動調節(jié)系統(tǒng)的整定18</p>

5、<p>　　四、課程設計體會27</p><p>　　五、主要參考文獻27</p><p>　　一、課程設計的目的 本次自動控制原理課程設計的目的是讓學生能綜合運用所學的自動控制理論知識，結合計算機仿真軟件，進行部分自動控制原理的驗證試驗并能夠對簡單反饋控制系統(tǒng)的進行設計和整定，以加深對自動控制原理知識的理解，提高綜合應用知識的能力、分析解決問題的能力，從而為進行后

6、續(xù)專業(yè)課程的深入學習和將來參與實際生產過程的自動控制奠定扎實的理論基礎。</p><p>　　二、本課程設計課題任務的內容和要求</p><p>　　2.1課程設計的主要內容：</p><p>　　1．學習和熟悉計算機仿真計算軟件MATLAB，重點學習SIMULINK工具箱的使用方法和MATLAB語言編程方法。</p><p>　　2．繪制和

7、觀察典型熱工對象的階躍響應曲線，熟悉它們的動態(tài)特性。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)的根軌跡分析，即已知某單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數，要求能繪制系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡，并利用根軌跡分析系統(tǒng)性能。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)的頻域分析，即已知某單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數，要求能繪制控制系統(tǒng)的奈奎斯特曲線并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　5．單回路自動調節(jié)

8、系統(tǒng)的整定，利用理論計算或工程整定方法對兩類典型的熱工對象的單回路自動調節(jié)系統(tǒng)進行整定，并觀察和分析調節(jié)器各參數值的變化對調節(jié)過程的影響。</p><p>　　2.2課程設計的要求：</p><p>　　通過課程設計，要求學生能掌握自動控制的基本理論和基本分析方法，能應用控制理論對自動控制系統(tǒng)進行性能分析，能對單回路系統(tǒng)進行整定計算，能夠較熟練地將MATLAB軟件應用于控制系統(tǒng)的設計和分析

9、。具體要求有：</p><p>　　1.MATLAB軟件作為課程設計的主要工具，應能較好地掌握和熟練的運用；學會使用SIMULINK工具箱和利用MATLAB語言編程兩種方法進行仿真。</p><p>　　2．掌握繪制對象或系統(tǒng)階躍響應曲線的方法，熟悉典型熱工對象的動態(tài)特性。 </p><p>　　3．掌握繪制根軌跡的方法，通過觀察和分析進一步明確根軌跡的概念，能夠利

10、用根軌跡定性分析系統(tǒng)性能。</p><p>　　4．掌握繪制對象或系統(tǒng)的奈奎斯特曲線的方法，通過觀察和分析曲線正確理解頻率響應、頻率特性的概念，明確頻率特性的物理意義，理解奈奎斯特穩(wěn)定判據的原理，掌握運用奈奎斯特穩(wěn)定判據判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。</p><p>　　5. 掌握幾種常用的控制系統(tǒng)整定方法，并會利用這些方法對某一給定的單回路控制系統(tǒng)進行整定，同時注意觀察和分析對象參數和PID參數

11、的變化對系統(tǒng)品質的影響。</p><p>　　三、自動控制系統(tǒng)的分析及整定</p><p>　　3.1、控制系統(tǒng)的時域分析</p><p>　　3.1.1、二階環(huán)節(jié)或系統(tǒng)動態(tài)特性分析</p><p>　?、倭頚=1,=2, ξ分別取0、0.4、0.5、1和1.5時對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b&g

12、t;　　分析：</b></p><p>　　②令K=1,=0.216或0.5, 分別取2、4和6時對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　3.1.2、典型熱工對象的動態(tài)特性分析</p><p>　?。?）有自平衡能力的熱工對象</p><p

13、>　?、倭頚=1,n=5,分別取1、4和8時對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　②令K=1,=5,n分別取2、4和6時對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　（2）無自平衡能力的熱工對象&l

14、t;/p><p>　　①令n=5, =1, 分別取1、2和3時對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、诹?=5, =1, n分別取2、4和6時對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析： </b></p><p&g

15、t;　　3.2、控制系統(tǒng)的根軌跡分析</p><p>　　3.2.1、已知某單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數</p><p>　　（1）當a=0時系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖，系統(tǒng)阻尼系數=0.5時k的值及此時系統(tǒng)特征方程式的根：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）當a=3時系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖，系統(tǒng)

16、阻尼系數=0.5時k的值及此時系統(tǒng)特征方程式的根：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）分析開環(huán)零點（s=-a）變化對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響</p><p>　　令a分別取值為-4、-2、-1、0、1、2和4，取多個值觀察閉環(huán)根軌跡變化：</p><p><b>　　分析：<

17、;/b></p><p>　　3.2.2、已知某單回路系統(tǒng)</p><p>　?。?）有自平衡能力的熱工對象傳遞函數為</p><p>　?、偈归]環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調節(jié)器參數δ的值：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　②系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率ψ=0.75時調節(jié)器參數

18、δ的值：</p><p>　　此時系統(tǒng)對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　2.無自平衡能力的熱工對象傳遞函數為①閉環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調節(jié)器參數δ的值：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　②系統(tǒng)

19、瞬態(tài)響應的衰減率ψ=0.75時調節(jié)器參數δ的值：</p><p>　　此時系統(tǒng)對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　3.3、控制系統(tǒng)的頻域分析</p><p>　　3.3.1、已知某單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為Gk(s)=</p><p>　　

20、（1）系統(tǒng)的奈奎斯特曲線及系統(tǒng)的單位階躍響應曲線：</p><p>　　此時的單位階躍響應曲線</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）系統(tǒng)增加一個開環(huán)極點p=2時的奈奎斯特曲線及系統(tǒng)的單位階躍響應曲線：</p><p>　　此時的單位階躍響應曲線</p><p>&

21、lt;b>　　分析：</b></p><p>　　3.3.2、已知某單回路系統(tǒng)</p><p>　　（1）有自平衡能力的熱工對象傳遞函數為</p><p>　?、偈归]環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調節(jié)器參數δ的值：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、谙到y(tǒng)瞬態(tài)響應

22、的衰減率ψ=0.75時調節(jié)器參數δ的值及系統(tǒng)對應的單位階躍響應曲線：</p><p>　　此時系統(tǒng)對應的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　（2）無自平衡能力的熱工對象傳遞函數為</p><p>　?、偈归]環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調節(jié)器參數δ的值：</p><p

23、><b>　　分析：</b></p><p>　　②系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率ψ=0.75時調節(jié)器參數δ的值及系統(tǒng)對應的單位階躍響應曲線：</p><p>　　對應的單位階躍響應曲線</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　3.4、單回路自動調節(jié)系統(tǒng)的整定</p>

24、<p>　　對下列單回路自動調節(jié)系統(tǒng)進行整定。先根據調節(jié)對象估算出PID調節(jié)器各參數（δ、Ti、Td）的值，再觀察各參數值的變化對調節(jié)過程的影響。</p><p>　　（1）有自平衡能力的熱工對象傳遞函數為</p><p>　?、俑鶕p率ψ=0.75的要求整定出各調節(jié)器參數：</p><p>　　P型調節(jié)器：δ= ___;</p>

25、;<p>　　PI型調節(jié)器：δ= __，Ti = ____;</p><p>　　PID型調節(jié)器：δ= ___，Ti = ____，Td = ____;</p><p>　　Matlab語言編程對應的仿真曲線（P、PI、PID對應的三條曲線）：</p><p><b>　　分析：</b><

26、;/p><p>　　②改變PID調節(jié)器進行仿真</p><p>　?。╥）令Ti =28.313, Td =7.078, Kp分別取5、10和15時所對應的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。╥i）令Kp=1/0.161, Td =7.078, Ti分別取10、20和30時所對應的仿

27、真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。╥ii）令Kp=1/0.161, Ti=28.313, Td分別取5、7和9時所對應的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、塾凶云胶饽芰Φ腜ID調節(jié)器的調節(jié)系統(tǒng)</p>

28、<p>　　衰減率ψ=0.75時，PID型調節(jié)器：δ= ___ ，Ti = ___ ，Td = ___ </p><p>　　此時系統(tǒng)的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）無自平衡能力的熱工對象傳遞函數為</p><p>　　①根據衰減率

29、ψ=0.75的要求整定出各調節(jié)器參數：</p><p>　　P型調節(jié)器：δ= __</p><p>　　PI型調節(jié)器：δ= ___，Ti = __</p><p>　　PID型調節(jié)器：δ= _，Ti = _，Td = _</p><p>　　Matlab語言編程對應的仿真曲線（P、PI、PID對應的三條曲線

30、）：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、诟淖働ID調節(jié)器進行仿真</p><p>　　（i）令Ti =54, Td =13.5, Kp分別取0.02、0.05和0.08時所對應的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p&

31、gt;　?。╥i）令Kp=1/22.41, Td =13.5, Ti分別取40、50和60時所對應的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。╥ii）令Kp=1/22.41, Ti=54， Td分別取5、10和15時所對應的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></

32、p><p>　?、蹮o自平衡能力的PID調節(jié)器的調節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　衰減率ψ=0.75時，PID型調節(jié)器：δ= _ ，Ti = _ ，Td = _ </p><p>　　此時系統(tǒng)的單位階躍響應曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p><b>

33、;　　四、課程設計體會</b></p><p><b>　　五、主要參考文獻</b></p><p>　　1、《自控原理課程設計指導書》，講義</p><p>　　2、《熱工過程自動控制原理》，陳紹炳 于向軍 編著，東南大學出版社，2003。</p><p>　　3、《MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真》，孫亮