自控課程設(shè)計--三階系統(tǒng)校正

1、<p><b>　　課程實習(xí)報告</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師簽名：</b></p><p>　　年 月 日</p><p>　　自動控制原理及專業(yè)軟件課程實習(xí)任務(wù)書</p><p><b>　　一、課程實習(xí)的目的</b></p>

2、;<p>　　（1）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用經(jīng)典控制理論和相關(guān)課程知識的能力；</p><p>　　（2）掌握自動控制原理的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法，以及各種校正裝置的作用及用法，能夠利用不同的分析法對給定系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，能根據(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)；</p><p>　?。?）學(xué)會使用MATLAB語言及Sim

3、ulink動態(tài)仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真與調(diào)試；</p><p>　?。?）學(xué)會使用硬件搭建控制系統(tǒng)；</p><p>　?。?）鍛煉獨立思考和動手解決控制系統(tǒng)實際問題的能力，為今后從事控制相關(guān)工作打下較好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　二、課程實習(xí)任務(wù)</b></p><p>　　某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p&

4、gt;<p>　　分析系統(tǒng)是否滿足性能指標(biāo)：</p><p>　?。?）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)=5s-1;</p><p><b>　　（2）相角裕度。</b></p><p>　　如不滿足，試為其設(shè)計串聯(lián)校正裝置。</p><p><b>　　三、課程實習(xí)內(nèi)容</b></p>

5、;<p>　?。?）未校正系統(tǒng)的分析：1）利用MATLAB繪畫未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極點圖2）繪畫根軌跡，分析未校正系統(tǒng)隨著根軌跡增益變化的性能（穩(wěn)定性、快速性）。3）作出單位階躍輸入下的系統(tǒng)響應(yīng)，分析系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)。4）繪出系統(tǒng)開環(huán)傳函的bode圖，利用頻域分析方法分析系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)（相角裕度和幅值裕度，開環(huán)振幅）。（2）利用頻域分析方法，根據(jù)題目要求選擇校正方案，要求有理論分析和計算。并與M

6、atlab計算值比較。（3）選定合適的校正方案（串聯(lián)滯后/串聯(lián)超前/串聯(lián)滯后-超前），理論分析并計算校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，并確定何種裝置實現(xiàn)。（4）繪畫已校正系統(tǒng)的bode圖，與未校正系統(tǒng)的bode圖比較，判斷校正裝置是否符合性能指標(biāo)要求，分析出現(xiàn)大誤差的原因。</p><p>　?。?）求此系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。分析采用的校正裝置的效果。（6）繪畫模擬電路，提出校正的實現(xiàn)方式及其參數(shù)。</p>&l

7、t;p>　?。?）總結(jié)（包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲、對本次課程實習(xí)的認(rèn)識等內(nèi)容）</p><p><b>　　四、參考書籍</b></p><p>　　1 《自動控制原理》胡壽松主編</p><p>　　2 《MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真》孫亮主編</p><p>　　3 自行查找的材料</p&g

8、t;<p>　　五、課程實習(xí)時間安排（一周）</p><p>　　1 查閱參考書籍和手冊及資料文獻(xiàn)（1.5天）。</p><p>　　2 MATLAB語言在自動控制原理中的應(yīng)用，Simulink建模方法（1.5天）。</p><p>　　3 應(yīng)用MATLAB和Simulink仿真，并撰寫實習(xí)報告（1.5天）。</p><p>　

9、　4 驗收及校驗（0.5天）</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要5</b></p><p><b>　　1、緒論6</b></p><p>　　2、設(shè)計的目的、任務(wù)及內(nèi)容7</p><p>　　2.1課程實習(xí)

10、的目的7</p><p>　　2.2課程實習(xí)任務(wù)7</p><p>　　2.3課程實習(xí)內(nèi)容7</p><p>　　3、系統(tǒng)分析以及校正8</p><p>　　3.1開環(huán)增益的確定8</p><p>　　3.2未校正系統(tǒng)的分析8</p><p>　　3.2.1未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極

11、點圖8</p><p>　　3.2.2未校正系統(tǒng)根軌跡圖10</p><p>　　3.2.3未校正系統(tǒng)頻域分析11</p><p>　　3.2.4未校正系統(tǒng)頻域分析12</p><p>　　4、系統(tǒng)的校正13</p><p>　　4.1校正方案的選擇13</p><p>　　4.2校

12、正裝置的確定及性能指標(biāo)的檢驗13</p><p>　　4.3校正前、后系統(tǒng)的時域分析比較14</p><p>　　4.4校正前、后系統(tǒng)的頻域分析比較16</p><p><b>　　5、電路設(shè)計17</b></p><p>　　5.1典型環(huán)節(jié)電路17</p><p>　　5.1.1比例環(huán)

13、節(jié)（P）17</p><p>　　5.1.2積分環(huán)節(jié)（I）18</p><p>　　5.1.3比例積分環(huán)節(jié)（PI）18</p><p>　　5.1.4 慣性環(huán)節(jié)（T）19</p><p>　　5.1.5 比例微分環(huán)節(jié)（PD）20</p><p>　　5.1.6 比例積分微分環(huán)節(jié)（PID）21</p&g

14、t;<p>　　5.2校正裝置電路23</p><p>　　6、SIMULINK仿真24</p><p>　　6.1校正前單位階躍響應(yīng)仿真24</p><p>　　6.2校正后單位階躍響應(yīng)仿真24</p><p><b>　　7、總結(jié)26</b></p><p><b

15、>　　8、參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　通過對未校正系統(tǒng)進(jìn)行分析，得知系統(tǒng)需要校正才能滿足要求。根據(jù)對原系統(tǒng)的時域、復(fù)域和頻域分析結(jié)果，這里采用串聯(lián)滯后—超前校正裝置對其進(jìn)行校正，理論計算得到校正裝置的參數(shù)。分析、校正過程中借助了Matlab語言、Simulink工具箱仿真工具。經(jīng)檢驗，校正后的

16、系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)的要求。</p><p><b>　　1、緒論</b></p><p>　　自動控制作為一種重要的技術(shù)手段，在工程技術(shù)和科學(xué)研究中起著極為重要的作用。 </p><p>　　對于一個已經(jīng)完成的系統(tǒng)，它的各個參數(shù)是確定的，穩(wěn)定性也是確定的。當(dāng)某一系統(tǒng)不穩(wěn)定或者不滿足設(shè)計要求時，就需要我們來對系統(tǒng)進(jìn)行校正以使得系統(tǒng)穩(wěn)定或者

17、滿足設(shè)計要求。 </p><p>　　自動控制系統(tǒng)是否能夠很好地工作，是否能精確地保持被控制量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化，這取決于被控對象和控制及各元器件的結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)是否設(shè)計得當(dāng)。 </p><p>　　在理想情況下，控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量在任何時候均相等，系統(tǒng)完全無誤差，且不受干擾影響。然而，在實際系統(tǒng)中，由于各種原因，系統(tǒng)在受到輸入信號（也包括擾動信號）的激勵時，

18、被控制量將偏離輸入信號作用前的初始值，經(jīng)歷一段冬天過程（過度過程），則系統(tǒng)控制性能的好壞，可以從動態(tài)過程比較充分地表現(xiàn)出來。 </p><p>　　控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)的重要尺度。一個高品質(zhì)的系統(tǒng)，在整個運行過程中，被控量對給定的偏差應(yīng)該是最小的。 </p><p>　　考慮動態(tài)過程在不同階段中的特點，工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)。

19、0;</p><p>　　對不同的控制對象，系統(tǒng)對穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求有所側(cè)重。統(tǒng)一系統(tǒng)中，穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的。提高過程的快速性，可能會加速系統(tǒng)振蕩；改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能拖長，甚至使最終精度也變差。本文將對一個簡單系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價</p><p>　　2、設(shè)計的目的、任務(wù)及內(nèi)容</p><p>　　2.1課程實習(xí)的目的</p><p&g

20、t;　　1.培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用經(jīng)典控制理論和相關(guān)課程知識的能力；</p><p>　　2.掌握自動控制原理的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法，以及各種校正裝置的作用及用法，能夠利用不同的分析法對給定系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，能根據(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)；</p><p>　　3.學(xué)會使用MATLAB語言及Simulink動態(tài)仿真工具進(jìn)行

21、系統(tǒng)仿真與調(diào)試；</p><p>　　4.學(xué)會使用硬件搭建控制系統(tǒng)；</p><p>　　5.鍛煉獨立思考和動手解決控制系統(tǒng)實際問題的能力，為今后從事控制相關(guān)工作打下較好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　2.2課程實習(xí)任務(wù)</b></p><p>　　某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>

22、　　分析系統(tǒng)是否滿足性能指標(biāo)：</p><p>　?。?）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)Kv=5s-1;</p><p><b>　?。?）相角裕度 。</b></p><p>　　如不滿足，試為其設(shè)計串聯(lián)校正裝置。</p><p><b>　　2.3課程實習(xí)內(nèi)容</b></p><p&g

23、t;　　1.未校正系統(tǒng)的分析：</p><p>　　a.利用MATLAB繪畫未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極點圖</p><p>　　b.繪畫根軌跡，分析未校正系統(tǒng)隨著根軌跡增益變化的性能（穩(wěn)定性、快速性）。</p><p>　　c.作出單位階躍輸入下的系統(tǒng)響應(yīng)，分析系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)。</p><p>　　d.繪出系統(tǒng)開環(huán)傳函的bode圖

24、，利用頻域分析方法分析系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)（相角裕度和幅值裕度，開環(huán)振幅）。</p><p>　　2.選定合適的校正方案（串聯(lián)滯后/串聯(lián)超前/串聯(lián)滯后-超前），理論分析并計算校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，并確定何種裝置實現(xiàn)。</p><p>　　3.繪畫已校正系統(tǒng)的bode圖，與未校正系統(tǒng)的bode圖比較，判斷校正裝置是否符合性能指標(biāo)要求，分析出現(xiàn)大誤差的原因。</p><p>　

25、　4.求此系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。分析采用的校正裝置的效果。</p><p>　　5.繪畫模擬電路，提出校正的實現(xiàn)方式及其參數(shù)。</p><p>　　6.總結(jié)（包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲、對本次課程實習(xí)的認(rèn)識等內(nèi)容）</p><p>　　3、系統(tǒng)分析以及校正</p><p>　　3.1開環(huán)增益的確定</p><p>

26、;<b>　　取K=5</b></p><p>　　則待校正開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　3.2未校正系統(tǒng)的分析</p><p>　　3.2.1未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極點圖</p><p>　　圖3.1 校正前系統(tǒng)的開環(huán)零極點圖 </p><p>　　圖3.2 校正前系統(tǒng)的閉

27、環(huán)零極點圖</p><p>　　結(jié)論：由閉環(huán)零極點圖可以看出：系統(tǒng)有一個極點在左半平面，有兩個在右半平面，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p><b>　　>> n=5;</b></p><p>　　>> d=conv([1 0],conv([1 1],[0.5 1]));</p><p>　　>

28、> Go=tf(n,d);</p><p>　　>> pzmap(Go)</p><p>　　>> clop=feedback(Go,1)</p><p><b>　　clop =</b></p><p><b>　　5</b></p><p>

29、　　-------------------------</p><p>　　0.5 s^3 + 1.5 s^2 + s + 5</p><p>　　Continuous-time transfer function.</p><p>　　>> pzmap(clop)</p><p>　　3.2.2未校正系統(tǒng)根軌跡圖</p&g

30、t;<p>　　圖3.3未校正系統(tǒng)的根軌跡圖</p><p>　　>> d=conv([1 0],conv([1 1],[0.5 1]));</p><p><b>　　>> n=[5];</b></p><p>　　>> Go=tf(n,d);</p><p>　　&g

31、t;> rlocus(Go);</p><p>　　>> [k,r]=rlocfind(Go)</p><p>　　Select a point in the graphics window</p><p>　　selected_point =</p><p>　　0.0024 + 1.4348i</p>&l

32、t;p><b>　　k =</b></p><p><b>　　0.6186</b></p><p><b>　　r =</b></p><p>　　-3.0168 + 0.0000i</p><p>　　0.0084 + 1.4319i</p><p

33、>　　0.0084 - 1.4319i</p><p>　　由根軌跡圖可以看出來，當(dāng)開環(huán)增益從零到無窮大時，根軌跡有一部分在右半面，由matlab作圖可知：當(dāng)kg>0.6186時，根軌跡處于系統(tǒng)右半面，開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)kg<0.6186時，開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　3.2.3未校正系統(tǒng)頻域分析</p><p>　　圖3.4未校正系統(tǒng)的階

34、躍響應(yīng)圖</p><p>　　由圖可知系統(tǒng)明顯不穩(wěn)定</p><p>　　>> clop=feedback(Go,1);</p><p>　　>> step(clop)</p><p><b>　　>> grid</b></p><p>　　3.2.4未校正系統(tǒng)

35、頻域分析</p><p>　　圖3.5未校正系統(tǒng)頻域圖</p><p>　　>> bode(Go)</p><p><b>　　>> grid</b></p><p>　　>> [gm,pm,wg,wp]=margin(Go)</p><p><b>

36、　　gm =</b></p><p><b>　　0.6000</b></p><p><b>　　pm =</b></p><p><b>　　-12.9919</b></p><p><b>　　wg =</b></p>&l

37、t;p><b>　　1.4142</b></p><p><b>　　wp =</b></p><p><b>　　1.8020</b></p><p>　　由bode圖可知：系統(tǒng)的相位裕度為γc=-12.9919°<40°，γc＜γ，所以開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p&

38、gt;<p><b>　　4、系統(tǒng)的校正</b></p><p>　　4.1校正方案的選擇</p><p>　　因為未校正系統(tǒng)的相角裕度,小于要求的40°。采用無源網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)滯后校正，利用它的高頻衰減特性，使已校正系統(tǒng)截止頻率下降，從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度，犧牲系統(tǒng)響應(yīng)的快速性來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定</p><p>　　4

39、.2校正裝置的確定及性能指標(biāo)的檢驗</p><p>　　由系統(tǒng)引入滯后校正，所以不妨取所以傳遞函數(shù)為:    </p><p>　　式中：  1/bT=0.1 =0.4rad/s；</p><p><b>　　根據(jù)公式：</b></p><p>　　得

40、：b=0.09;T=280.5 </p><p>　　因此，串聯(lián)滯后-超前校正裝置的傳遞函數(shù)為</p><p>　　校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　校正后的Bode圖:</p><p>　　圖4.1校正后系統(tǒng)頻域圖</p><p>　　>> n1=[125 5];</p>&l

41、t;p>　　>> d1=conv([1 0],conv([1 1],conv([0.5 1],[280.5 1])));</p><p>　　>> bode(n1,d1)</p><p>　　>> margin(n1,d1)</p><p>　　由標(biāo)注可以看出相位裕度為51.3°>40°，滿足要求，

42、故該校正環(huán)節(jié)設(shè)計正確。</p><p>　　4.3校正前、后系統(tǒng)的時域分析比較</p><p>　　圖4.2校正前系統(tǒng)的時域圖</p><p>　　圖4.3校正后系統(tǒng)的時域圖</p><p>　　>> G1=tf(n1,d1); </p><p>　　>> clop1=feedback(G1,1

43、);</p><p>　　>> step(clop1)</p><p>　　由校正前、后的階躍響應(yīng)圖像可以看出：校正后，系統(tǒng)穩(wěn)定，響應(yīng)的振蕩減弱，動態(tài)性能優(yōu)化。</p><p>　　4.4校正前、后系統(tǒng)的頻域分析比較</p><p>　　由校正前、后的bode圖像可以看出：校正后，截止頻率減小，相角裕度增加，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。<

44、/p><p><b>　　5、電路設(shè)計</b></p><p>　　5.1 典型環(huán)節(jié)電路</p><p>　　5.1.1比例環(huán)節(jié)（P）</p><p>　　圖5.1比例環(huán)節(jié)方框圖</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：，其中</b></p><p>　　

45、圖5.2比例環(huán)節(jié)模擬電路和實驗仿真圖</p><p>　　5.1.2積分環(huán)節(jié)（I）</p><p>　　圖5.3積分環(huán)節(jié)方框圖</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：，其中</b></p><p>　　圖5.4積分環(huán)節(jié)模擬電路圖和實驗仿真圖</p><p>　　5.1.3比例積分環(huán)節(jié)（PI）<

46、;/p><p>　　圖5.5比例積分環(huán)節(jié)方框圖</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：，其中，</b></p><p>　　圖5.6比例積分環(huán)節(jié)模擬電路圖和實驗仿真圖</p><p>　　5.1.4 慣性環(huán)節(jié)（T）</p><p>　　圖5.7慣性環(huán)節(jié)方框圖</p><p>&

47、lt;b>　　傳遞函數(shù)：，其中，</b></p><p>　　圖5.8慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖和實驗仿真圖</p><p>　　5.1.5 比例微分環(huán)節(jié)（PD）</p><p>　　圖5.9比例微分環(huán)節(jié)方框圖</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：，其中，</b></p><p>　　

48、圖5.10比例微分環(huán)節(jié)模擬電路圖和實驗仿真圖</p><p>　　5.1.6 比例積分微分環(huán)節(jié)（PID）</p><p>　　圖5.11比例積分微分環(huán)節(jié)方框圖</p><p>　　傳遞函數(shù)：，其中，，</p><p>　　圖5.12比例積分微分環(huán)節(jié)模擬電路圖和實驗仿真圖</p><p><b>　　5.2校正

49、裝置電路</b></p><p>　　圖5.13校正裝置圖</p><p><b>　　傳遞函數(shù)：，</b></p><p><b>　　慣性環(huán)節(jié)中 ，</b></p><p><b>　　微分環(huán)節(jié)中，</b></p><p>　　6、SIM

50、ULINK仿真</p><p>　　6.1校正前單位階躍響應(yīng)仿真</p><p>　　6.2校正后單位階躍響應(yīng)仿真</p><p><b>　　7、總結(jié)</b></p><p>　　在課程設(shè)計過程中，我學(xué)會了分析問題的方法，加深了對自動控制的理解，基本掌握了校正系統(tǒng)的設(shè)計方法。當(dāng)遇到難題要沉著冷靜，多詢問，多查閱資料，會

51、對自己有很多幫助。同時也發(fā)現(xiàn)了自己知識的欠缺和課本內(nèi)容的不扎實。這次課程設(shè)計也讓我知道了在今后學(xué)習(xí)中要注意和改進(jìn)的地方，總之收獲頗多。</p><p>　　通過這次的課程設(shè)計，對自動控制原理進(jìn)行了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，初步嘗試并掌握了校正的各種方法。此外Matlab軟件的使用，也了解了它的許多以前不知道的功能。掌握了從設(shè)計方案的要求來進(jìn)行未校正系統(tǒng)的分析，然后落實到每一個參數(shù)，按要求進(jìn)行法案選擇并校正系統(tǒng)。同時加深了對系

52、統(tǒng)的穩(wěn)定性理解，一些在連線圖中較為復(fù)雜的連接方式在實際連接中也能更加清楚地進(jìn)行觀察理解。這次課程設(shè)計不僅需要良好的理論知識，同時也要有一定的實驗操作技能，否則無法正確達(dá)到控制效果，在實驗中需要多次檢查與測試，加深了課上學(xué)習(xí)知識的同時也加強了實際操作能力。</p><p><b>　　8、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 胡壽松主編，《自動控制原理》，科學(xué)出