飛行器控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　題 目: 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>

2、　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1. 分別用時(shí)域和頻域方法設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的控制器。</p><p>　　控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)為：</p><p>　　單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443</p><p><b>　　最大超調(diào)量5%</b><

3、/p><p>　　上升時(shí)間0.005sec</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間0.008sec</p><p>　　控制系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)為：</p><p>　　單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443</p><p><b>　　相位裕量大于</b></p><p>　　2. 用M

4、atlab對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，畫出階躍響應(yīng)曲線，計(jì)算其時(shí)域性能指標(biāo)。</p><p><b>　　時(shí)間安排：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p>

5、<p>　　摘要:根據(jù)被控對(duì)象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求，涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)，既要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的性能，滿足給定的指標(biāo)要求，還有考慮方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，本課程設(shè)計(jì)是在給定的指標(biāo)下，分別用時(shí)域和頻域方法設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的控制器。本文首先從理論的方法分別用時(shí)域和頻域法求出控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)，再用Matlab對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，畫出階躍響應(yīng)曲線，計(jì)算其時(shí)域性能指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p

6、>　　關(guān)鍵詞:飛行器 控制系統(tǒng) 時(shí)域 頻域 MATLAB</p><p>　　Abstract：According to the controlled object and given the technical index requirements, involving the automatic control system, which not only have to guarantee the s

7、ystem designed has good performance, and meet given index requirement, also considering scheme reliability and economical efficiency, this course is designed in a given index, respectively for time domain and frequency d

8、omain method to design the system controller. This paper from the theoretical method respectively in time domain a</p><p>　　Key words: Aircraft Control system Time-domain Frequency domain Matlab</p>

9、;<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)要求·························

10、3;·······················1</p><p>　　1.1初始條件········&

11、#183;····································

12、;·1</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)······························&#

13、183;···············1</p><p>　　2 用時(shí)域方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器··············

14、3;··············1</p><p>　　2.1題目分析·················&

15、#183;····························1</p><p>　　2.2超調(diào)量計(jì)算··

16、83;····································&

17、#183;····2</p><p>　　2.3穩(wěn)態(tài)誤差··························

18、3;···················3</p><p>　　2.4上升時(shí)間············&

19、#183;·································3</p><

20、p>　　2.5調(diào)節(jié)時(shí)間··································&#

21、183;···········4</p><p>　　3 用頻域方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器 ··················

22、83;·········4</p><p>　　3.1理論分析······················

23、························4</p><p>　　3.2參數(shù)計(jì)算·······

24、83;····································&

25、#183;·4</p><p>　　4 MATLAB仿真分析·····························

26、;·········5</p><p>　　4.1 階躍響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)·····················

27、············5</p><p>　　4.2 MATLAB頻域分析··················&#

28、183;·····················7</p><p>　　5 心得體會(huì)··········

29、····································

30、3;····10</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　1.1 初始條件：</b

31、></p><p>　　飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)為：</p><p>　　單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443</p><p><b>　　最大超調(diào)量5%</b>

32、;</p><p>　　上升時(shí)間0.005sec</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間0.005sec</p><p>　　控制系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)為：</p><p>　　單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443</p><p><b>　　相位裕量大于</b></p><p>　　

33、2 用時(shí)域方法設(shè)計(jì)飛行器控制系統(tǒng)</p><p><b>　　2.1 題目分析：</b></p><p>　　已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可得：</p><p><b>　　令= </b></p><p><b>　　所以開環(huán)傳遞函數(shù)</b></p><p>&

34、lt;b>　　穩(wěn)態(tài)誤差為</b></p><p><b>　　所以，取</b></p><p><b>　　超調(diào)量 </b></p><p>　　又因?yàn)?361.2 ① 由于， 顯然條件①不成立。所以說(shuō)一定要加入一定的性能改善環(huán)節(jié)。通過(guò)分析，要達(dá)到指定的時(shí)域性能指標(biāo)，需要加入一個(gè)測(cè)速反饋調(diào)節(jié)。如

35、圖1所示：</p><p>　　圖1 測(cè)速反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　其中，為測(cè)速反饋系數(shù)</p><p><b>　　開環(huán)傳遞函數(shù)</b></p><p>　　加入測(cè)速反饋后開環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　即：</b></p><p&g

36、t;<b>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)</b></p><p><b>　　2.2 超調(diào)量計(jì)算</b></p><p>　　當(dāng)輸入為單位階躍函數(shù)時(shí)</p><p>　　對(duì)上式取拉氏反變換，求得單位階躍響應(yīng)為</p><p><b>　　式中， </b></p><

37、p>　　將階躍響應(yīng)函數(shù)對(duì)求導(dǎo)，并令其為零，求得 </p><p><b>　　即 </b></p><p>　　將上式代入階躍響應(yīng)函數(shù)，得輸出量的最大值 </p><p>　　按超調(diào)量定義式，求得</p><p><b>　　超調(diào)量 </b></p><p&g

38、t;<b>　　所以取=0.7</b></p><p>　　阻尼比 （） ② </p><p><b>　　2.3 穩(wěn)態(tài)誤差</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)誤差 ③</b></p><p>　　將代入③式中得到 取=

39、3161，得：k=2220.4由式②可解得=0.00040675</p><p><b>　　2.4 上升時(shí)間</b></p><p><b>　　對(duì)上式令，求得</b></p><p>　　所以上升時(shí)間<0.005 滿足條件</p><p><b>　　2.5 調(diào)節(jié)時(shí)間<

40、/b></p><p>　　取誤差帶，可得響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間的表達(dá)式為</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間 滿足條件</p><p>　　綜上所述，選取的測(cè)速反饋調(diào)節(jié)滿足所有指定的性能指標(biāo)，所以校正之后的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　3 用頻域方法設(shè)計(jì)飛行器控制系統(tǒng)</p><p><b>　　3.1理論分

41、析</b></p><p>　　題中要求相角裕度，可加入串聯(lián)超前校正來(lái)改善系統(tǒng)性能。采用串聯(lián)超前校正時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)增益要下降，因此需要提高放大器增益加以補(bǔ)償，所以串聯(lián)超前校正的傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中 微分度系數(shù)（>1），叫時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　3.2參數(shù)計(jì)算</b></p>&

42、lt;p>　　單位斜坡輸入穩(wěn)態(tài)誤差</p><p><b>　　K取182</b></p><p><b>　　開環(huán)傳遞函數(shù)</b></p><p><b>　　令 （為截止頻率）</b></p><p><b>　　求得 </b></p>

43、;<p><b>　　相角裕度</b></p><p>　　超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率在至之間的輸入信號(hào)有明顯的微分作用，在該頻率范圍內(nèi)，輸出信號(hào)相角比輸入信號(hào)相角超前，在最大超前角頻率處，具有最大超前角，且正好處于頻率和的幾何中心。</p><p>　　為補(bǔ)償角是用于補(bǔ)償因超前校正裝置的引入，使系統(tǒng)截止頻率增大而增加的相角滯后量。未校正系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在截止

44、頻率處的斜率為，故取。所以有</p><p><b>　　所以最大超前角</b></p><p><b>　　所以a=16</b></p><p><b>　　根據(jù)</b></p><p><b>　　解得</b></p><p>

45、<b>　　所以加入校正為：</b></p><p><b>　　所以加入校正后：</b></p><p>　　4 MATLAB仿真分析</p><p>　　4.1 階躍響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)</p><p>　　校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　MATLAB編程如下

46、： </p><p>　　k=2257.857;</p><p><b>　　num=1;</b></p><p>　　den=conv([1,0],[0.000226 1]);</p><p>　　sys=tf(k*num,den);</p><p>　　lsys=feedback(sys

47、,1,-1);</p><p>　　[y,t,x]=step(lsys);</p><p>　　plot(t,y);</p><p><b>　　結(jié)果如圖2所示</b></p><p><b>　　圖2 階躍響應(yīng)曲線</b></p><p>　　在《MATLAB提示符》后，輸

48、入ltiview，啟動(dòng)該圖形軟件。從File的下拉菜單中選中→import選項(xiàng)選擇需要仿真的系統(tǒng)。選擇窗口中的Lsys系統(tǒng)，并用鼠標(biāo)點(diǎn)擊OK。在畫面中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Characteristics”選項(xiàng)，再選擇“Peak Time”項(xiàng)可得階躍響應(yīng)曲線中的峰值時(shí)間為0.00139。在畫面中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Characteristics”選項(xiàng)，再選擇“Settling Time”、“Rise Time”、“Steady State”

49、選項(xiàng)可得階躍響應(yīng)曲線中的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.00189，上升時(shí)間為0.000643,穩(wěn)態(tài)值為1（穩(wěn)態(tài)誤差為0）。</p><p><b>　　結(jié)果如圖3所示：</b></p><p>　　圖 3 階躍響應(yīng)曲線性能指標(biāo)</p><p>　　4.2 MATLAB頻域分析</p><p>　　未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p&g

50、t;<p>　　MATLAB編程如下：</p><p>　　num=[819000];</p><p>　　den=[1 361.2 0];</p><p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　margin(sys)</p><p><b>　　結(jié)果如圖4所示：</b

51、></p><p>　　圖 4 未校正開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖</p><p>　　校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　MATLAB編程如下：</p><p>　　num=[1834.56 819000];</p><p>　　den=[0.00014 1.050568 361.2 0];</p>

52、<p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　margin(sys)</p><p><b>　　結(jié)果如圖5所示：</b></p><p>　　圖5 校正后開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖</p><p>　　經(jīng)驗(yàn)證，校正后的系統(tǒng)滿足：</p><p>　?、賳挝恍逼螺斎氲姆€(wěn)態(tài)

53、誤差0.000443</p><p><b>　?、谙辔辉Ａ繛?lt;/b></p><p>　　所以加入串聯(lián)超前校正可行。</p><p><b>　　5心得體會(huì)</b></p><p>　　自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航天及航空等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極大地提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們的勞

54、動(dòng)環(huán)境，豐富和提高了人們的生活水平。在今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)化裝置無(wú)處不在，為人類文明進(jìn)步做出了極大的貢獻(xiàn)。這次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)中也讓我了解到了自動(dòng)控制在多方面的應(yīng)用。</p><p>　　平常我們上自動(dòng)控制原理課時(shí)，老師講的都是理論知識(shí)，沒有試驗(yàn)的驗(yàn)證與對(duì)比，我感覺很難理解這些知識(shí)，為了應(yīng)付作業(yè)和考試，我也只是略微了解了些原理，把公式記牢就夠了。然而在這次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)中，就暴露了許多問(wèn)題。我開始在做

55、飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，按部就班的套用書上的公式，算完系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)時(shí)域性能指標(biāo)后，在MATLAB中仿真分析，發(fā)現(xiàn)得到的階躍響應(yīng)曲線與理想中的有差距，從圖中就可以看出來(lái)只滿足了部分時(shí)域性能指標(biāo)，在與校正前的曲線比較就很容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采用數(shù)型結(jié)合的方法很快得到正確的參數(shù)。</p><p>　　雖然這次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)只有一周的時(shí)間，由于這一周里還有自控考試，我為了準(zhǔn)備考試雖然沒有花太多的時(shí)間，但通過(guò)我在做課程設(shè)

56、計(jì)時(shí)，翻書、上網(wǎng)查資料，與同學(xué)討論，讓我的實(shí)際動(dòng)手能力增強(qiáng)的很多，讓我對(duì)自動(dòng)控制原理這門課程所學(xué)的知識(shí)有了進(jìn)一步的理解，加深了對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，讓我們學(xué)以致用，使我們的知識(shí)掌握的更加牢固，感謝老師們耐心的輔導(dǎo)和參考模板，感謝老師們能理解我們有考試的苦衷，感謝老師們給我們時(shí)間獨(dú)立的思考。這激發(fā)了我們的創(chuàng)新思想，我希望我們可以多點(diǎn)課程設(shè)計(jì)、多點(diǎn)試驗(yàn)，讓理論與試驗(yàn)結(jié)合，我們才能更好的理解、掌握。</p><p>&

57、lt;b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理（第五版).科學(xué)出版社，2007</p><p>　　[2]王萬(wàn)梁.自動(dòng)控制原理.北京高等教育出版社，2008</p><p>　　[3]師黎.反饋控制系統(tǒng)導(dǎo)論.科學(xué)出版社，2005</p><p>　　[4]陳哲.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ).冶金工業(yè)出版社