自動控制原理課程設(shè)計--紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)的

1、<p>　　課程設(shè)計說明書（論文）</p><p>　　自動控制原理課程設(shè)計書</p><p>　　設(shè)計題目：控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真（A-2）</p><p>　　1．已知控制系統(tǒng)直流電機主要參數(shù)如下：（紅外目標(biāo)背景仿真系統(tǒng)中定向鏡系統(tǒng)中的俯仰系統(tǒng)）</p><p>　　電機轉(zhuǎn)動慣量 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 </p>

2、<p>　　電機轉(zhuǎn)矩靈敏度 電磁時間常數(shù) </p><p>　　電機電樞電阻 </p><p><b>　　2．性能指標(biāo)</b></p><p>　?。?）開環(huán)放大倍數(shù) （2）剪切頻率 </p><p>　?。?）相位裕度 （4）諧振峰值

3、</p><p>　?。?）超調(diào)量20% （6）過渡過程時間0.2s</p><p>　　（7）角速度 （8）角加速度</p><p><b>　?。?）穩(wěn)態(tài)誤差</b></p><p><b>　　3．設(shè)計要求和步驟</b></p><p>

4、　?。?）設(shè)計系統(tǒng)，滿足性能指標(biāo)。</p><p><b>　?。?）人工設(shè)計。</b></p><p>　　繪制系統(tǒng)校正前后以及校正裝置bode圖，并確定校正裝置的傳遞函數(shù)。驗算校正系統(tǒng)是否滿足指標(biāo)要求。</p><p>　?。?）計算機輔助設(shè)計</p><p>　　利用matlab語言對系統(tǒng)進行輔助設(shè)計、仿真、調(diào)試。

5、</p><p>　?。?）確定校正裝置的電路形式、參數(shù)。</p><p>　?。?）撰寫設(shè)計報告。具體包括以下幾個方面：</p><p><b>　　1）設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　2）設(shè)計過程</b></p><p>　　人工設(shè)計包括計算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正

6、前后以及校正裝置bode圖、校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)驗算數(shù)據(jù)。</p><p>　　計算機輔助設(shè)計包括simulink仿真框圖，bode圖，階躍響應(yīng)曲線，性能指標(biāo)要求的其他曲線。</p><p>　　3）校正裝置電路圖。</p><p><b>　　4）設(shè)計結(jié)論。</b></p><p>　　5）設(shè)計后的心得體會。&l

7、t;/p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計指導(dǎo)教師填寫</p><p>　　紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)的</p><p><b>　　設(shè)計與仿真</b></p><p><b>　　編號：A-2</b></p&

8、gt;<p><b>　　1．系統(tǒng)的人工設(shè)計</b></p><p>　　1.1電機系統(tǒng)模型的建立及仿真</p><p>　　對于直流電機的簡化模型有如下動態(tài)關(guān)系式：</p><p>　　表格 1直流電機動態(tài)關(guān)系式表</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)的阻力矩為0，則直流電機的傳遞函數(shù)為：</p>

9、<p>　　綜上所述，電機系統(tǒng)控制模型為：</p><p>　　電機系統(tǒng)傳遞函數(shù)的bode圖如下：</p><p>　　由電機系統(tǒng)的bode圖可以知道，系統(tǒng)的剪切頻率，那么相角裕度</p><p>　　1.2.系統(tǒng)性能指標(biāo)</p><p>　　性能指標(biāo)A給定的技術(shù)參數(shù)如下：</p><p><b>

10、　　超調(diào)量： </b></p><p><b>　　過渡過程時間： </b></p><p><b>　　角速度： </b></p><p><b>　　角加速度： </b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)誤差： </b></p>

11、<p>　　經(jīng)過分析顯示紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)為高階系統(tǒng)，所以對于參數(shù)的計算采用高階系統(tǒng)進行運算。初步的想法是通過規(guī)定的靜態(tài)指標(biāo)超調(diào)量和過渡過程時間，將系統(tǒng)要求的剪切頻率以及相位裕度計算出來：采用高階系統(tǒng)運算的經(jīng)驗公式。</p><p><b>　　經(jīng)驗公式一：</b></p><p><b>　　經(jīng)驗公式二：</b>

12、</p><p><b>　　由經(jīng)驗公式一得到：</b></p><p><b>　　相位裕度： </b></p><p>　　將相位裕度帶入經(jīng)驗公式二得到：</p><p><b>　　剪切頻率： </b></p><p>　　1.3.期望頻率法校正函

13、數(shù)</p><p><b>　　A：</b></p><p><b>　　B：</b></p><p>　　C：假設(shè)開環(huán)增益為1000；確定低頻轉(zhuǎn)折頻率</p><p>　　D：假設(shè)高頻轉(zhuǎn)折頻率</p><p>　　那么得到校正之后的函數(shù)：</p><p&

14、gt;　　那么得到校正之后的函數(shù)bode圖如下圖：</p><p>　　1.4.校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的設(shè)計</p><p><b>　　系統(tǒng)的原函數(shù)：</b></p><p><b>　　校正之后的函數(shù)：</b></p><p>　　第一步：PD反饋校正</p><p><

15、b>　　參數(shù)計算：</b></p><p><b>　　設(shè)反饋校正部分為</b></p><p><b>　　第二部：串聯(lián)校正</b></p><p><b>　　Bode():</b></p><p>　　系統(tǒng)函數(shù)校正前后bode圖：</p>

16、<p>　　1.5.前饋環(huán)節(jié)的設(shè)計</p><p>　　在任務(wù)書中給出了相應(yīng)的計算指標(biāo)， 從給出的指標(biāo)可以判斷輸入信號為正弦信號。其指標(biāo)需滿足要求：</p><p><b>　　角速度： </b></p><p><b>　　角加速度： </b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)

17、誤差：</b></p><p>　　通過前兩個指標(biāo)角速度與角加速度可以很容易的得出：輸入信號的幅值與角頻率的數(shù)值。據(jù)公式：，</p><p>　　經(jīng)過計算得出：輸入信號幅值=0.665rad，角速度ω=4.0rad/s</p><p>　　所以，不難得出輸入信號為：</p><p>　　沒有加入前饋環(huán)節(jié)時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差如下圖所示：&

18、lt;/p><p>　　由圖像可以得到，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以不滿足要求。</p><p>　　根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的定義有如下公式：</p><p><b>　　恒定</b></p><p>　　加入前饋環(huán)節(jié)時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差如下圖所示：</p><p>　　由圖像可以得到，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，滿足要求。</p

19、><p><b>　　2.計算機仿真</b></p><p>　　2.1.matlab建模</p><p><b>　　建模程序：</b></p><p>　　sys_0=tf([22],[0.023,0.4423,1,0])；</p><p>　　gc_1=tf([1/15.9

20、,1],[0.001,1]);</p><p>　　bode(gc_1);grid //校正環(huán)節(jié)bode圖</p><p>　　num=850*[1/15.9,1];</p><p>　　>> den=conv([1/4.67,1],conv([1/509,1,0],[1/1000,1]));</p><p>　　&

21、gt;> sys_1=tf(num,den)； //校正之后函數(shù)bode圖</p><p>　　bode(sys_1)</p><p>　　step(feedback(sys_1,1,-1));grid //校正之后傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)</p><p>　　t=0:0.001:10;</p><p>　　u=0.665*sin(4

22、*t);</p><p>　　E_s=1/(1+sys_1); </p><p>　　lism(E_s,u,t);grid //校正之后穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　　校正環(huán)節(jié)bode圖：</p><p>　　的階躍響應(yīng)圖像如下：</p><p>　　由上圖可以知道，系統(tǒng)超調(diào)量不符合要求，那么適當(dāng)較低開環(huán)放大倍

23、數(shù)可以適當(dāng)減少超調(diào)量，將開環(huán)放大倍數(shù)設(shè)為850。</p><p>　　此時的階躍響應(yīng)圖像如下：</p><p>　　由圖像可知，系統(tǒng)的超調(diào)量 ，過渡過程時間，滿足要求。</p><p>　　系統(tǒng)校正前后bode圖：</p><p>　　2.2.simulink仿真</p><p>　　用simulink做出系統(tǒng)框圖：&

24、lt;/p><p>　　系統(tǒng)未加入前饋時的穩(wěn)態(tài)誤差如圖所示：</p><p>　　系統(tǒng)加入前饋時的穩(wěn)態(tài)誤差如圖所示：</p><p>　　綜上所述，校正后的系統(tǒng)滿足要求。</p><p>　　3.校正裝置電路設(shè)計</p><p>　　3.1系統(tǒng)的校正框圖</p><p><b>　　3.2

25、元器件參數(shù)</b></p><p><b>　　PD環(huán)節(jié)：</b></p><p><b>　　串聯(lián)環(huán)節(jié)：</b></p><p><b>　　放大環(huán)節(jié)：</b></p><p><b>　　前饋環(huán)節(jié)：</b></p><p

26、><b>　　3.3校正電路</b></p><p><b>　　4.設(shè)計結(jié)論</b></p><p>　　1．通過這次課程設(shè)計，給了實際的工程背景，我學(xué)會了更好的應(yīng)用已學(xué)的知識解決實際問題，雖然只是在仿真上得到解決，但我覺得非常自豪和欣慰。</p><p>　　2．本系統(tǒng)采用了比例+微分控制的方法改善了系統(tǒng)的動態(tài)性

27、能?？梢杂梅糯笃骱碗娮琛㈦娙菥W(wǎng)絡(luò)，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。</p><p>　　3．通過對于內(nèi)環(huán)bode圖的特性的調(diào)節(jié)，我發(fā)現(xiàn)加微分負(fù)反饋對于減小系統(tǒng)的剪切頻率有很大的幫助，雖然這次這個特點對于矯正產(chǎn)生了很大的影響，但我相信在以后的學(xué)習(xí)過程中，這個特點會起到一些幫助。</p><p>　　4．對于一個輸入為正弦信號的閉環(huán)系統(tǒng)，其響應(yīng)輸出一般很難和輸入信號復(fù)制相同，這時可以在系統(tǒng)閉環(huán)之前增加一個

28、增益，調(diào)整輸出信號的幅值。</p><p>　　5．在實際設(shè)計一個控制系統(tǒng)時，希望頻率的轉(zhuǎn)折點盡量取到整數(shù)，這次設(shè)計就是沒有注意這個問題，這對后來的實際電路的原件的選取造成的巨大的麻煩。</p><p>　　6. 在實際設(shè)計校正電路的時候，應(yīng)該選取實際存在的電阻值，從而對于實際購買元件有很大的幫助。相反，若主觀臆造任意電阻和電感值，不僅無形的增加的系統(tǒng)的設(shè)計難度，同時對于系統(tǒng)的實現(xiàn)也產(chǎn)生了

29、影響。</p><p><b>　　5.設(shè)計心得體會</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計，進一步理解了上學(xué)期自動控制原理課程中的一些基本概念，比如剪切頻率、相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、過渡過程時間、超調(diào)量；熟練掌握了各種校正，對在何種情況應(yīng)用哪種校正，以及不同校正的區(qū)別也都有了一定的了解。</p><p>　　本題目僅僅給了剪切頻率、相角裕度

30、、穩(wěn)態(tài)誤差、過渡過程時間、超調(diào)量五個參數(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的系統(tǒng)框圖，在對不同校正的試用過程中更加加深了對不同校正的理解，同時也明白了知識在實際中運用不能拘泥于課本，可以根據(jù)實際情況靈活運用。這一點在以后的工作中是很有必要的。</p><p>　　雖然實際電路已經(jīng)設(shè)計出來了，但實現(xiàn)這個控制系統(tǒng)依然是十分困難的。在這學(xué)期開設(shè)的數(shù)字控制中了解到電容的誤差一般是十分大的，一般是在50%左右，而在大二的物理實驗中我們也學(xué)到了對于