自动控制报告.doc

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1、自控课程设计目 录目 录2第一章 绪论3第二章 课程设计分析4 2.1课程设计内容4 2.2课程设计要求5 2.3课程设计意义6第三章 理论分析设计7 3.1、确定原系统模型7 3.2、校正装置及验算8第四章 Matlab仿真设计11 4.1、原系统对数频率特性13 4.2、校正前后频率特性比较15 4.3、仿真波形图16第五章 Simulink仿真分析17 5.1、原系统单位阶跃响应18 5.2、确定参数R、C值19课程设计总结20参考文献21评语及成绩22第二章 课程设计与分析第一章 绪论 随着科学技术的不断的向前发展，人类社会的不断进步。自动化技术取得了巨大的进步， 自动控制技术广泛应用

2、于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大的提高 了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平。当今的社会 生活中，自动化装置无所不在，自动控制系统无所不在。因此我们有必要对一些典型、常 见的控制系统进行设计或者是研究分析。一个典型闭环控制系统的组成是很复杂的。通常都由给定系统输入量的给定元件、产生偏 差信号的比较元件、 对偏差信号进行放大的放大元件、 直接对被控对象起作用的执行元件、 对系统进行补偿的校正元件及检测被控对象的测量元件等典型环节组成。而控制系统设计 则是根据生产工艺的要求确定完成工作的必要的组成控制系统的环节，确定环节的参数、 确定控制方式、对所

3、设计的系统进行仿真、校正使其符合设计要求。同时根据生产工艺对 系统的稳、快、准等具体指标选择合适的控制元件。第二章 课程设计分析2.1课程设计内容R1+urucR0R2R3R4CS 针对二阶系统，利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S接通时为超前校正装置，其传递函数，其中，“-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 利用有源串联超前校正网络（虚线框所示）进行系统校正。开关S断开时对应校正前情况，接通时对应校正后情况。 图2.12.2 课程设计要求题目：二阶系统综合分析与设计初始条件：某单位反馈系统结构图如

4、图 1 所示：1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差，开环截止频率wc4.4弧度/秒，相位裕量45；2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数；3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线；4）设校正装置R1=100K，R2=R3=50K，根据计算结果确定有源超前校正网络元件参数R4、C值；5）绘制引入校正装置后系统电路图（设给定的电阻和电容：R=100K，C=1mF、10mF若干个）；6）利用Mat lab仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线,并验算设计结果；7）在Mat lab-Simul ink下建立系统仿真模型，求校正前、后

5、系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较；8） 利用自动控制原理实验箱完成硬件设计过程，包括：搭建校正前后系统电路、输入阶跃信号并通过示波器观察校正前后系统输出响应曲线。2.3课程设计意义 设计意义自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为 基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。控制理论在几十年中，迅速经历了从经典理 论到现代理论再到智能控制理论的阶段，并有众多的分支和研究发展方向。本次的课程设计是对我们平时学习的理论知识的一个检验，也是让我们更加熟练的运用 MATLAB 软件， 更好的解决自动控制方面的一些问题。5第三章 理论分析设计 15自动控制原理课程设

6、计第三章 理论分析设计 3.1、确定原系统模型；1、 当开关S断开时，求原模拟电路的开环传递函数个G(s)。原系统仿真模型如图3.1 3.1 原系统仿真模型2、绘制原系统对数频率特性，确定原系统性能：wc、g(wc)；3.2、校正装置及验算1、确定校正装置传递函数Ge(s)，并验算设计结果；设超前校正装置传递函数为：，rd1若校正后系统的截止频率wc=wm，原系统在wc处的对数幅值为L(wc)，则：由此得：由，得时间常数T为： 2.求校正装置的传递函数：根据要求：在单位斜坡输入信号作用时，开环截止频率wc4.4弧度/秒，相位裕量45又：A(Wc)= =1 Wc=3.164.4r(Wc)= 18

7、0+(-90-arctan)=17.645不满足题意。所以：W(S) = -L(4.4)=20Lg A(Wc)= 20Lg-L(4.4)=20Lg0.5L(4.4)=6rd=4T=0.447Wc=W4. W4=2.27Wc= W5=8.52第四章 3.2校正装置伯德图2、在同一坐标系里，绘制校正前、后、校正装置对数频率特性；原系统伯德图如下图所示，其截止频率、相位裕量、幅值裕量从图中可见。另外，在MATLAB Workspace下，也可得到此值。由于截止频率和相位裕量都小于要求值，故采用串联超前校正较为合适。1.根据上图可知，系统有三个环节：1积分环节： T=RC T=0.1 K=1 K=1W

8、1(S)= W1(S)= = 2.比例环节： K=1 W2(S)=13.惯性环节：T=RC=1 K=1 W3(S)=系统的开环传递函数：W(S)=W1(S)W2(S)W3(S)= 第四章第四章 Mat lab仿真设计利用Mat lab进行仿真设计（校正），就是借助MATLAB相关语句进行上述运算，完成以下任务：确定校正装置；绘制校正前、后、校正装置对数频率特性；确定校正后性能指标。从而达到利用Mat lab辅助分析设计的目的。4.1、原系统对数频率特性1.求原系统幅值穿越频率wcp（wc）、相位穿越频率wcg、相位裕量Pm即g(wc)、幅值裕量Gmnum=10;den=1,1,0;G=tf(n

9、um,den); %求原系统传递函数bode(W); %绘制原系统对数频率特性margin(W); %求原系统相位裕度、幅值裕度、截止频率Gm,Pm,wcg,wcp=margin(W);grid; %绘制网格线原系统伯德图如图1所示，其截止频率、相位裕量、幅值裕量从图中可见。另外，在MATLAB Workspace下，也可得到此值。由于截止频率和相位裕量都小于要求值，故采用串联超前校正较为合适。 然后进行仿真，如图所示：图4-1校正前系统伯德图2、求校正装置Ge(s)（即Ge）传递函数numc=0.447,1;denc=0.11,1;Wc=tf(numc,denc);bode(Wc);grid

10、;3、求校正后系统传递函数G(s)（即Ga）numh=conv(num,numc);denh=conv(den,denc);Wh=tf(numh,denh);bode(Wh);Margin(Wh);Gm,Pm,wj,wc=Margin(Wh);grid;4.2、校正前后频率特性比较num=10;den=1,1,0;W=tf(num,den);bode(W);Margin(W);Gm,Pm,wj,wc=Margin(W);grid;numc=0.456,1;denc=0.114,1;Wc=tf(numc,denc);bode(Wc);grid;numh=conv(num,numc);denh=c

11、onv(den,denc);Wh=tf(numh,denh);bode(Wh);Margin(Wh);Gm,Pm,wj,wc=Margin(Wh);grid;bode(W,:);hold on;bode(Wc,-);hold on;bode(Wh);grid;plot(tout,yout);grid;校正前后伯德图如图4.2所示，校正装置参数a=0.447，T=0.11，校正装置传递函数为G（s）=(0.447s+1)/(0.11s+1)之后进行仿真：图4-2 校正前、后、校正装置伯德图5、求校正后系统截止频率wap、相位裕量Pm、幅值裕量Gmbode(Ga);margin(Ga);Gm,Pm

12、,wcg,wcp=margin(Ga);grid;校正后系统伯德图如图4.3所示，从图中可见其截止频率、相位裕量、幅值裕量，校正后各项性能指标均达到要求。结果进行仿真：图4.3校正后系统伯德图4.3在自动控制模拟实验箱上按图接线，在计算机上运行出硬件仿真波形图。未校正系统硬件仿真波形图 校正后系统硬件波形图文献第五章 Simul ink仿真分析线性控制系统校正过程不仅可以利用Mat lab语句编程实现，而且也可以利用Mat lab-Simul ink工具箱构建仿真模型，分析系统校正前、后单位阶跃响应特性。5.1、原系统单位阶跃响应原系统仿真模型如图4-1所示： 图4 -1原系统仿真模型原系统阶

13、跃响应增加系数后仿真： 图4-2校正后系统阶跃响应系统运行后，其输出阶跃响应如图4-3所示。图4-3 校正前、后系统阶跃响应曲线5.2、确定有源超前校正网络参数R、C值有源超前校正装置如图4-4所示。R1+urucR0R2R3R4C当放大器的放大倍数很大时，该网络传递函数为： （1） 其中，“-”号表示反向输入端。该网络具有相位超前特性，当Kc=1时，其对数频率特性近似于无源超前校正网络的对数频率特性。 根据前述计算的校正装置传递函数Ge(s)，与（1）式比较，即可确定R、C值。G(S)= Kc. = T=R3.C得 T=0.11364，=3.9998，R3=8.3333K，C=13.64F课

14、程设计总结 通过本次设计，我了解了自动控制原理中校正前后的波形图以及稳态误差的求取。 什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理，设计过程中的各种参数的求取，使我更加深刻的认识和了解了自动控制原理。 我认为，在设计时应该怎样少走一些弯路，怎样能够非常透彻的理解系统并用简单方法达到目的，我想这是这次课程设计我受益最深的地方。然而这也要求我们有相当厚 实的理论基础，并能很好地运用到实际中去。这是我们学习和掌握好自控原理最重要的。我们运用 Matlab 软件进行系统仿真验证，这不仅对我们设计带来了方便，也能很准确地 为我们改动参数提供依据，同时也让我们对 Mat lab 软件进行了又一步的学习，

15、也为我们 再次熟练运用 Mat lab 打下了基础。 这次课程设计也锻炼了我们的细心和耐心，一个参数细微的差别，一个字母大小写的 差别，甚至一个标点符号都可能导致图像绘制失败，这就要求我们认真细心地对待。了解 每一个设计步骤的含义，注意每一步程序书写的正确。我也很感谢有课程设计这次机会，让我明白了这么多从前不知道的东西。这些对我日后的工作都是十分宝贵的。同时也让我 看清了自己，明白了自己哪里欠缺。理论知识的不足在这次课程设计中给我带来了很多麻烦，这也算是提醒。今后，在学习中，我要端正自己的态度努力学习，只有这样我们才能 真正的掌握好知识。 总之，通过这次课程设计让我受益匪浅，同时感谢老师给我们

16、这次设计的机会，让位们更加深刻的了解了自动控制原理这门课程的意义所在，为今后打下了坚实的基础。 2011年12月9日 参考文献1王建辉等.自动控制原理.北京:清华大学出版社.20072胡寿松.自动控制原理.北京:科学技术出版社.20013薛定宇.反馈控制系统设计与分析MATLAB语言应用（第1版）.北京:清华大学出版社、20004薛定宇.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用.北京:清华大学出版社.1996二、评语及成绩评分项目评分标准量化分数1.理论分析计算能力很强较强一般较差不行202.仿真设计能力很强较强一般较差不行403.设计报告规范程度规范整洁正确杂乱有错误204.设计态度积极主动比较认真应付不认真105.出勤情况全勤缺勤次数10附加评语量化总分成 绩：指导24