电气自动化专业自动控制课程设计.doc

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1、 成绩评定： 自 动 控 制 系 统 课 程 设 计课题名称 单位负反馈系统的校正设计 专 业 电气自动化 班 级 学 号 39 姓 名 所在院系 电子工程学院 完成日期 12月01日 目 录一 、设计目的3二、设计任务与要求32.1设计任务32.2设计要求3三、设计方法步骤及设计校正构图33.1校正前系统分析33.2校正方法63.3校正装置63.4校正后系统分析7四、课程设计小结与体会10五、参考文献11一 、设计目的1. 掌握控制系统的设计与校正方法、步骤。2. 掌握对系统相角裕度、稳态误差和穿越频率以及动态特性分析。3. 掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。4. 提高

2、分析问题解决问题的能力。二、设计任务与要求2.1设计任务设单位负反馈系统的开环传递函数为： 用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：1) 相角裕度；2) 系统的速度误差系数；2.2设计要求1) 分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后超前校正。2) 详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode图，校正装置的Bode图，校正后系统的Bode图）。3) 用MATLAB编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）。4) 校正前后系统的单位阶跃响应图。三、设计方法步骤及设计校正构图3.1校正前系统分析 校正前系统的开环传递函数为： 校正要求:;

3、，由此可知k=8;所以系统的开环传递函数为 首先利用MATLAB中的simulink命令画出校正前结构图:1) 单位阶跃响应分析先求出其闭环传递函数 ；在MATLAB中编写如下程序： num=8;den0.02，0.3，1，8;g=tf(num,den);title(单位阶跃响应图)；step(g);grid运行后：由上图可以看出，系统在阶跃输入下还是可以稳定输出的，但是开始时振荡比较大，超调量也比较大，系统的动态性能不佳。2) 利用MATLAB绘画未校正系统的bode图在MATLAB中编写如下程序：num=8;den=0.02 0.3 1 0;g=tf(num,den);title(校正前的

4、bode图);bode(g);grid;gm,pm,wcg,wcp=margin(num,den)运行后得gm = 1.8750pm = 18.0777wcg = 7.0711wcp = 5.0347v 校正前bode图v由上图可知，相角欲度 ，截止频率w=5.0347，幅值欲度为无穷大。显然，此时系统的相角裕度不符合要求，故该系统需要校正。由于校正前系统已有一定的相角欲度，因此可以考虑引入串联超前校正装置以满足相角欲度的要求。3.2校正方法根据系统的性能，决定采用串联超前校正，输入以下程序：num=8;den=0.02 0.3 1 0;g=tf(num,den);gm,pm,wcg,wcp=

5、margin(num,den);dpm=35-pm+12;phi=dpm*pi/180;a=(1+sin(phi)/(1-sin(phi);mm=-10*log10(a);mu,pu,w=bode(num,den);mu_db=8*log10(mu);wc=spline(mu_db,w,mm);T=1/(wc*sqrt(a);p=a*T;nk=p,1;dk=T,1;gc=tf(nk,dk) 运行后可以从命令窗口中得到校正装置的传递函数为：Transfer function:0.1736 s + 1-0.06043 s + 1则校正装置传递函数：3.3校正装置校正装置结构图如下： 利用MATLA

6、B 绘画校正装置的bode图程序如下：num=0.1736,1;den=0.06043,1;g=tf(num,den);title(校正装置的bode图);bode(g);gridv 校正装置Bode图如下： 校正装置Bode图3.4校正后系统分析经超前校正后，系统开环传递函数为：v 校正后结构图： 1) 利用MATLAB 绘画系统校正后的bode图在上面超前校正程序的基础上加上以下程序：h=tf(num,den);h1=tf(nk,dk);s=h*h1;bode(s);grid;gml,pml,wcgl,wcpl=margin(s)运行后得：gml = 3.3587pml = 35.2840

7、wcgl = 12.1894wcpl = 5.9723v 校正后系统的bode图：由上图可知，相角裕度 ，截止频率w=5.9723。幅值欲度为无穷大，各项指标基本满足设计要求。2) 利用MATLAB 绘画系统校正前后的单位阶跃响应图程序。在MATLAB中编写如下程序：num1=8;den1=0.02,0.3,1,8;num2=1.3888,8;den2=0.00121,0.03813,0.36043,1,0;numf,denf=cloop(num2,den2);g1=tf(num1,den1);g2=tf(numf,denf);t=0:0.01:5;y1=step(g1,t);y2=step(

8、g2,t);plot(t,y1,-,t,y2);gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(校正前后单位阶跃响应对比图);text(0.8,1.4,校正前);text(1.2,1,校正后);3) 系统校正前后的单位阶跃响应对比图。由上图可知，校正之后的阶跃响应曲线调节时间、上升时间稳态误差都明显减少，性能更好。四、课程设计小结与体会通过此次课程设计的练习，让我更深刻的了解了自动控制系统的基本知识，尤其对控制系统的时域、频域及根轨迹的分析方法有更深一步的了解，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性。一个控制系统初始时往往不能满足给定的性能指标要求，要通过调整参数或增加

9、新的附加装置才能改善系统的性能，这就要用到我们所学的系统校正。还有此次课程设计让我觉得自动控制与MATLAB编程联系比较紧密，学好MATLAB程序语言才能更好的进行自动控制的研究。另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料，这对设计大有益处。本次课程设计为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。同时，通过这次期末的课程设计，使我认识到自己这学期对这门课程的学习还远远不够，还没有较好地将书本中的知识较好地融合，这为我在以后的学习中敲了一记警钟。以后的工作中会遇到很多的类似的问题，只有实践与理论的结合，才能将一件事办的更好。五、参考文献1 自动控制原理，陈铁牛，机械工业出版社，20092 MATLAB及在电子信息类中的应用 唐向宏，电子工业出版社，200911