自動控制原理課程設(shè)計----控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、<p>　　課程設(shè)計說明書（論文）</p><p>　　課程名稱：自動控制原理課程設(shè)計</p><p>　　設(shè)計題目：控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 </p><p>　　院 系： </p><p>　　班 級： </p><p>　　設(shè) 計 者：

2、 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、題目要求與分析……………………………

3、…………………………………………1</p><p>　　1.1題目要求…………………………………………………………………………1</p><p>　　1.2題目分析…………………………………………………………………………1</p><p>　　2、人工設(shè)計………………………………………………………………………………2</p><p>　　2.

4、1校正方法的選擇…………………………………………………………………2</p><p>　　2.2串聯(lián)遲后——超前校正…………………………………………………………3</p><p>　　2.2.1 串聯(lián)遲后校正……………………………………………………………3</p><p>　　2.2.2 串聯(lián)超前校正……………………………………………………………3</p>

5、;<p>　　2.2.3 驗算………………………………………………………………………4</p><p>　　3、計算機(jī)輔助設(shè)計………………………………………………………………………4</p><p>　　3.1對被控對象仿真…………………………………………………………………4</p><p>　　3.2對校正以后的系統(tǒng)仿真………………………………………

6、…………………5</p><p>　　3.3對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真…………………………………………………………6</p><p>　　4、校正裝置電路圖………………………………………………………………………8</p><p>　　4.1串聯(lián)裝置原理圖…………………………………………………………………8</p><p>　　4.2串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)裝置

7、電路…………………………………………………………8</p><p>　　4.3串聯(lián)超前環(huán)節(jié)裝置電路…………………………………………………………9</p><p>　　5、設(shè)計總結(jié)………………………………………………………………………………10</p><p>　　6、心得體會………………………………………………………………………………11</p>&l

8、t;p><b>　　1、題目要求與分析</b></p><p><b>　　1.1題目要求</b></p><p>　?。?）、已知控制系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)如下：</p><p>　?。?）、性能指標(biāo)要求：</p><p><b>　?。?）、超調(diào)量 </b></p&g

9、t;<p>　?。?）、過渡過程時間 </p><p><b>　?。?）、 </b></p><p><b>　　1.2 題目分析</b></p><p>　　用MALAB繪制原傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)圖，如圖1：</p><p>　　圖1 原傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)</p>

10、<p>　　顯然，系統(tǒng)發(fā)散，不滿足題目要求的超調(diào)量及調(diào)整時間的要求。需對原傳遞函數(shù)進(jìn)行校正。</p><p><b>　　2、人工設(shè)計</b></p><p>　　2.1 校正方法的選擇</p><p>　　將題目中對閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)過程要求轉(zhuǎn)化開環(huán)頻率特性要求</p><p><b>　　由

11、 得 </b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　取 所以得 </p><p>　　手工做出開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖，如附錄圖1——系統(tǒng)校正前的bode圖</p><p>　　由圖可知，原開環(huán)傳遞函數(shù)的剪切頻率為 </p><p>

12、　　由 </p><p><b>　　有 </b></p><p>　　知 </p><p>　　由上面的計算知 剪切頻率為，相角裕度為，不滿足設(shè)計要求。</p><p>　　若采用串聯(lián)超前校正，由于未校正時系統(tǒng)不穩(wěn)定，且截止頻率大于要求值。在這種情況下

13、，采用串聯(lián)超前校正是無效的。</p><p>　　若采用串聯(lián)遲后校正，按式求取滿足相角裕度的剪切頻率，則 </p><p><b>　　即有 解得 </b></p><p>　　若以作為剪切頻率，則不能滿足的設(shè)計指標(biāo)。也就是說，只用串聯(lián)遲后校正不能同時滿足相角裕度和剪切頻率的設(shè)計要求。</p><p>　　考慮到串聯(lián)超

14、前校正可以有效地增加相較裕度，所以，首先采用串聯(lián)遲后校正，使系統(tǒng)的剪切頻率滿足或接近于近似滿足設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上，再采用串聯(lián)超前校正，使相角裕度滿足設(shè)計要求。</p><p>　　2.2 串聯(lián)遲后——超前校正</p><p>　　2.2.1 串聯(lián)遲后校正</p><p>　　考慮到串聯(lián)超前校正時，會使原系統(tǒng)的剪切頻率增大，所以在做串聯(lián)遲后校正時可以使剪切頻率略小于

15、設(shè)計要求。首先，取，做串聯(lián)遲后校正。當(dāng)時，代入</p><p>　　所以 </p><p>　　由 解得串聯(lián)遲后校正參數(shù) 。</p><p>　　取 所以 </p><p>　　即遲后環(huán)節(jié)為 </p><p>　　2.2.2 串聯(lián)超前校正</

16、p><p>　　由以上計算得串聯(lián)遲后校正以后的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　做出串聯(lián)遲后校正以后的開環(huán)頻率特性，如圖2。由圖2知，串聯(lián)遲后校正以后，剪切頻率為，相角裕度為 </p><p>　　圖2 串聯(lián)遲后校正的后的開環(huán)傳遞函數(shù)bode圖</p><p>　　對串聯(lián)遲后校正以后的系統(tǒng)做串聯(lián)超前校正。先求出串聯(lián)超前校正應(yīng)提供的相角增量&

17、lt;/p><p>　　由圖 知串聯(lián)超前校正前系統(tǒng)對數(shù)相頻特性在剪切頻率附近下降的斜率非常大，</p><p><b>　　所以上式中取</b></p><p><b>　　由 有 </b></p><p>　　在圖 2.2.2—1 中找到縱坐標(biāo)為-6.63時所對應(yīng)的頻率 </p>

18、;<p><b>　　于是有 </b></p><p>　　所以超前環(huán)節(jié)為 </p><p>　　最后得到遲后——超前校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p><b>　　2.2.3 驗算</b></p><p>　　手工在對數(shù)坐標(biāo)紙上畫出校正以后

19、系統(tǒng)的頻率特性bode圖（附錄圖2——系統(tǒng)校正后的bode圖），由圖知，校正以后系統(tǒng)的剪切頻率為 </p><p><b>　　將 代入 有</b></p><p>　　所以相角裕度為 ，均滿足設(shè)計要求。</p><p><b>　　3、計算機(jī)輔助設(shè)計</b></p><p>　　3.1 對

20、被控對象仿真</p><p>　　（1）被控對象開環(huán)Simulink模型圖</p><p>　　圖3 原開環(huán)傳遞函數(shù)Simulink模型圖</p><p>　?。?）被控對象開環(huán)Bode圖</p><p>　　圖4 原開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖</p><p>　　由仿真結(jié)果知，原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)剪切頻率為，相角裕

21、度為，不符合設(shè)計要求。</p><p>　　3.2 對校正以后的系統(tǒng)仿真</p><p>　　校正以后的開環(huán)Simulink模型圖</p><p>　　圖5 校正后開環(huán)傳遞函數(shù)Simulink模型圖</p><p>　?。?）校正以后的開環(huán)Bode圖</p><p>　　圖6 校正后開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖<

22、;/p><p>　　由仿真結(jié)果知，校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)剪切頻率為，相角裕度為，符合設(shè)計要求。</p><p>　　3.3 對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真</p><p>　　校正以后的閉環(huán)Simulink模型圖</p><p>　　圖7 校正后閉環(huán)傳遞函數(shù)Simulink模型圖</p><p>　　（1）單位階躍響應(yīng)仿真曲線

23、</p><p>　　圖8 校正后單位階躍響應(yīng)圖1</p><p>　　圖9 校正后單位階躍響應(yīng)圖2</p><p>　　由仿真結(jié)果知，校正后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)超調(diào)量，調(diào)整時間，，符合設(shè)計要求。</p><p><b>　　4、校正裝置電路圖</b></p><p>　　4.1 串聯(lián)裝置原理

24、圖</p><p><b>　　校正裝置傳遞函數(shù)為</b></p><p>　　采用運(yùn)算放大器和ＲＣ網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的串聯(lián)校正裝置，圖10是一個串聯(lián)遲后（超前）裝置的電路原理圖。</p><p>　　圖10 串聯(lián)遲后（超前）校正裝置</p><p>　　4.2 串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)裝置電路</p><p>　

25、　由 </p><p>　　對于串聯(lián)遲后環(huán)節(jié) 且 </p><p>　　所以取 </p><p><b>　　電路圖如圖11：</b></p><p>　　圖11 串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)裝置電路圖</p><p>　　4.3 串聯(lián)

26、超前環(huán)節(jié)裝置電路</p><p>　　對于串聯(lián)超前環(huán)節(jié) 且 </p><p>　　所以取 </p><p><b>　　電路圖如圖12：</b></p><p>　　圖12 串聯(lián)超前環(huán)節(jié)裝置電路圖</p><p><b>　　5、設(shè)

27、計總結(jié)</b></p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)的剪切頻率大于要求指標(biāo)，而相角裕度有小于要求值時，可以先考慮串聯(lián)遲后校正，當(dāng)只用串聯(lián)遲后校正仍不能滿足設(shè)計指標(biāo)時（多是剪切頻率過?。?，可在遲后校正的基礎(chǔ)上串聯(lián)超前校正，以使剪切頻率適當(dāng)提高。</p><p>　　在用串聯(lián)遲后——超前校正時，需要多次用系統(tǒng)的bode圖，并求出系統(tǒng)的剪切頻率和相角裕度。這時，系統(tǒng)階次較高，做bode圖和求剪

28、切頻率、相角裕度都十分困難，如果用漸進(jìn)特性（折線）來做bode圖，又會帶來很多新的誤差，使設(shè)計不準(zhǔn)確，要做更多次的反復(fù)。因此，最好用計算機(jī)做出系統(tǒng)的準(zhǔn)確bode圖，并由bode圖求出準(zhǔn)確的剪切頻率和相角裕度。這要求我們必須能夠熟練地使用計算機(jī)和MATLAB軟件。</p><p><b>　?。?）遲后校正：</b></p><p>　　原理：利用遲后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值衰減

29、特性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。</p><p>　　效果：（1）系統(tǒng)的增益剪切頻率下降，閉環(huán)帶寬減小。</p><p>　?。?）對于給定的開環(huán)放大系數(shù)，由于附近幅值衰減，使、</p><p>　　及諧振峰值均得到改善。</p><p>　　缺點：頻帶變窄，使動態(tài)響應(yīng)時間變大。</p><p>　　應(yīng)用范圍：（1）附近，原

30、系統(tǒng)的響應(yīng)變化急劇，以致難于采用串聯(lián)超前校</p><p><b>　　正。</b></p><p>　?。?）適于頻寬與瞬態(tài)響應(yīng)要求不高的情況。</p><p>　?。?）對于高頻抗干擾有一定的要求。</p><p>　?。?）低頻段能找到需要的相位裕度</p><p><b>　?。?/p>

31、4）超前校正：</b></p><p>　　原理：利用超前網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　效果：（1）在附近，原系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性的斜率變小，相角裕度與幅值裕度變大。</p><p>　?。?）系統(tǒng)的頻帶寬度增加。</p><p>　?。?）由于增加，超調(diào)量下降。</p><p&g

32、t;　　缺點： 頻帶加寬，對高頻抗干擾能力下降。</p><p>　　應(yīng)用范圍：（1）附近，原系統(tǒng)的相位之后變化緩慢，超前相位一般要求小于，對于多級串聯(lián)超前校正則無此要求。</p><p>　?。?）有大的頻寬和快的瞬態(tài)響應(yīng)。</p><p>　?。?）高頻干擾不是主要問題。</p><p><b>　　6、心得體會</b&