自動控制課程設(shè)計----ｉ型二階系統(tǒng)的典型分析與綜合設(shè)計

1、<p>　　成績 _______</p><p>　　自動控制原理課程設(shè)計報告</p><p>　　題 目 Ｉ型二階系統(tǒng)的典型分析與綜合設(shè)計 </p><p>　　系 別 </p><p>　　專業(yè)名稱 自動化 </p>&

2、lt;p>　　班 級 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2011 年 12 月 27 日

3、</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　?。蝿?wù)書設(shè)計書1</b></p><p>　　一、系統(tǒng)說明（概述）4</p><p><b>　　二、系統(tǒng)建模5</b></p><p><b>　　三、系統(tǒng)分析8

4、</b></p><p>　　四、系統(tǒng)綜合...................................................................................................................................10</p><p>　　五、系統(tǒng)物理模擬圖..... .....

5、 11 </p><p>　　《自動控制原理》課程設(shè)計（簡明）任務(wù)書</p><p>　?。?9級自動化專業(yè)單號學(xué)生用</p><p>　　引言：《自動控制原理》課程設(shè)計是該課程的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，既有別于畢業(yè)設(shè)計，更不同于課堂教學(xué)。它主要是培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌運(yùn)用自動控制原理課程中所學(xué)的理論知識，掌握反饋控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法，對工程實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行完整的全面分析和

6、綜合。</p><p>　　設(shè)計題目：Ｉ型二階系統(tǒng)的典型分析與綜合設(shè)計</p><p><b>　　系統(tǒng)說明：</b></p><p>　　該Ｉ型系統(tǒng)物理模擬結(jié)構(gòu)如下圖。</p><p>　　其中：Ｒ＝1MΩ；C =1uF; R0=R</p><p><b>　　系統(tǒng)參量：</

7、b></p><p>　　系統(tǒng)輸入信號：r(t)；</p><p>　　系統(tǒng)輸出信號：y(t)；</p><p>　　四．設(shè)計指標(biāo)：設(shè)定：輸入為r(t)=a+bt（其中：a=5 b=4）</p><p>　　在保證靜態(tài)指標(biāo)（ess≤0.25）的前提下，</p><p>　　要求動態(tài)期望指標(biāo)：σ p﹪

8、≤20﹪；ts≤4sec；</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　1.建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)；</p><p>　　2.利用根軌跡方法分析系統(tǒng)：</p><p>　　作原系統(tǒng)的根軌跡草圖；</p><p>　　分析原系統(tǒng)的性能，當(dāng)原系統(tǒng)的性能不滿足設(shè)計要求時，則

9、進(jìn)行系統(tǒng)校正。</p><p>　　3.利用根軌跡方法綜合系統(tǒng)：</p><p>　　畫出串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，分析并選擇串聯(lián)校正的類型（微分、積分和微分-積分校正）；</p><p>　　確定校正裝置傳遞函數(shù)的參數(shù)；</p><p>　　畫出校正后的系統(tǒng)的根軌跡圖，并校驗(yàn)系統(tǒng)性能；若不滿足，則重新確定校正裝置的參數(shù)。</p><

10、;p>　　4.完成系統(tǒng)綜合前后的有源物理模擬（驗(yàn)證）實(shí)驗(yàn)；</p><p><b>　　課程設(shè)計報告：</b></p><p>　　1.課程設(shè)計計算說明書一份；</p><p>　　2.原系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖一張（自繪）；</p><p>　　3.系統(tǒng)分析，綜合用根軌跡圖一張；</p><p>

11、;　　4．系統(tǒng)綜合前后的模擬圖各一張；</p><p>　　5.總結(jié)（包括課程設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲、對本次課程設(shè)計的認(rèn)識等內(nèi)容）；</p><p>　　6.提供參考資料及文獻(xiàn)；</p><p>　　7. 排版格式完整、報告語句通順、封面裝幀成冊；</p><p><b>　　摘要</b></p>&l

12、t;p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的向前發(fā)展，人類社會的不斷進(jìn)步。自動化技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空及航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極大的提高了社會勞動生產(chǎn)率，改善了人們的勞動條件，豐富和提高了人民的生活水平。當(dāng)今的社會生活中，自動化裝置無所不在，自動控制系統(tǒng)無所不在。因此我們有必要對一些典型、常見的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計或者是研究分析。</p><p>　　一個典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成是

13、很復(fù)雜的。通常都由給定系統(tǒng)輸入量的給定元件，產(chǎn)生偏差信號的比較元件，對偏差信號進(jìn)行放大的元件，直接對被控對象起作用的執(zhí)行元件對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ｕ皺z測被控對象的測量元件等典型環(huán)節(jié)組成。而控制系統(tǒng)設(shè)計則是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求確定完成工作的必要的組成控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)、確定環(huán)節(jié)的參數(shù)、確定控制方式，對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，校正使其符合設(shè)計要求。同時根據(jù)生產(chǎn)工藝對系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)等具體指標(biāo)選擇合適的控制元件。</p><p&

14、gt;<b>　　Summary</b></p><p>　　With the continuous development of science and technology. the continuous progress of human society. Automation technology has made great progress. automatic control

15、technology is widely used in the manufacturing.agriculture. transport.aviation and aerospace. and many other industrial sectors.which greatly improves social productivity. improving the working conditions.enrich and impr

16、ove people's living standards. In today'ssociety. automation devices everywhere, ubiquitous auto-control system. S</p><p>　　一、系統(tǒng)說明（概述）</p><p><b>　　設(shè)計目的</b></p><p&g

17、t;　?、耪莆兆詣涌刂圃碚n程中所學(xué)的理論知識；</p><p>　?、普莆辗答佅到y(tǒng)的基本理論和方法，對工程實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行全面分析</p><p><b>　　和綜合；</b></p><p>　?、钦莆湛刂葡到y(tǒng)的設(shè)計和校正方法；</p><p>　?、日莆绽胢atlab對控制理論進(jìn)行分析，研究和仿真技能；</p&

18、gt;<p>　?、商岣叻治鰡栴}和解決問題的能力。</p><p><b>　　系統(tǒng)原理（簡介）</b></p><p>　　首先，是一個積分環(huán)節(jié)，第二個，是一個一階慣性環(huán)節(jié) 第三個是比例環(huán)節(jié)</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>　　各環(huán)節(jié)的性能、功能特性說明

19、</p><p>　　積分環(huán)節(jié)是當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號才能保持不變，而且能保持在任何位置上。在控制系統(tǒng)中，引用積分環(huán)節(jié)可以消除被控量的偏差。并且由于慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的阻力，一開始輸出并不與輸入同步按比例變化，直到過渡過程結(jié)束,輸出才能與輸出保持比例，從而保證了控制過程作無差控制。</p><p><b>　　設(shè)計基本要求</b></p><p>

20、;　　⑴要求輸出等于給定輸入所要求的期望輸出值。</p><p>　?、?要求輸出盡量不受擾動的影響。</p><p>　　⑶ 衡量一個系統(tǒng)是否完成除以上兩點(diǎn)，還要求穩(wěn)，快，準(zhǔn) </p><p><b>　　設(shè)計指標(biāo)</b></p><p>　　設(shè)定：輸入為r(t)=a+bt（

21、其中：a=5 b=4）</p><p>　　在保證靜態(tài)指標(biāo)KV=4（ess≤0.25）的前提下，</p><p>　　要求動態(tài)期望指標(biāo)：σ p﹪≤20﹪；ts≤4sec；</p><p><b>　　二、系統(tǒng)建模</b></p><p><b>　　各個環(huán)節(jié)模型</b></p&g

22、t;<p>　　環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖（電路原理圖）</p><p><b>　　寫出輸入輸出關(guān)系</b></p><p>　　寫出傳遞函數(shù)G(s),畫出結(jié)構(gòu)方框圖</p><p><b>　?、疟壤h(huán)節(jié)：</b></p><p>　　具有比例運(yùn)算關(guān)系的元部件稱為比例環(huán)節(jié)，其特點(diǎn)：輸入輸出量成正比

23、。</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p><b>　　輸入X</b></p><p><b>　　輸出U</b></p><p><b>　　G⑴=-</b></p><p><b>　　⑵慣性環(huán)節(jié)

24、：</b></p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)的微分方程是一階的，且輸出響應(yīng)需要一定時間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，因此稱為一階慣性環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)：輸出信號對輸入信號的響應(yīng)存在慣性（輸入信號階躍加入后，輸出信號不能突然變化，只能隨時間增加逐漸變化）。</p><p><b>　　圖1-3</b></p><p><b>　　輸入 :U&

25、lt;/b></p><p><b>　　輸出 :Y </b></p><p>　　G⑵==- （2-1）</p><p><b>　?、欠e分環(huán)節(jié)</b></p><p>　　輸出量與輸入量成積分關(guān)系的環(huán)節(jié)，稱為積分環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)：輸出量與輸

26、入量的積分成正比例，當(dāng)輸入消失，輸出保持不變，具有記憶功能；積分環(huán)節(jié)受到擾動自身無法達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　　G⑶=-=-1 (2-2)</p><p>　　系統(tǒng)模型：系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　比例環(huán)節(jié):</b></p><

27、p><b>　　其中Kp==1</b></p><p><b>　　慣性環(huán)節(jié):</b></p><p>　　Kp= T= </p><p><b>　　積分環(huán)節(jié):</b></p><p><b>　　Ti=</b></p>

28、<p><b>　　簡化框圖</b></p><p><b>　　化簡為單位負(fù)反饋</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)</b></p><p><b>　　傳函==</b></p><p><b>　　-<

29、/b></p><p><b>　　圖1-4</b></p><p><b>　　三、系統(tǒng)分析</b></p><p><b>　　⑴原系統(tǒng)根軌跡</b></p><p><b>　?、俜€(wěn)定性分析</b></p><p>　　

30、由閉環(huán)傳函 判據(jù)知系統(tǒng)是穩(wěn)定的</p><p>　　②穩(wěn)態(tài)精度分析ess</p><p>　　由I型系統(tǒng) = =0</p><p><b>　　= ==</b></p><p>　　=0 =</p><p><b>　　所以 =</b>

31、</p><p><b>　?、蹌討B(tài)性能分析</b></p><p><b>　　開環(huán)傳函為 </b></p><p>　　由 A(s)=4 A'(S)=0</p><p>　　B(s)= B'(S)=2S+1</p><p>　　-4(

32、2S+1)=0 推出與實(shí)軸交點(diǎn)S= - </p><p>　?、芘c實(shí)軸的夾角 Ф=± K=1,2</p><p><b>　　Φ= , </b></p><p><b>　　極點(diǎn) 0 -1 </b></p><p>　　2條根軌跡 起點(diǎn)在0，-1 終止于無窮遠(yuǎn)處<

33、/p><p>　　-δ=- θ= </p><p>　　在-處分離 無匯合點(diǎn)</p><p>　　閉環(huán)傳函 閉環(huán)極點(diǎn)S=</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　由閉環(huán)特征方程</b></p><p>　　

34、+s+4=0 (2-3)</p><p>　　=4 =2</p><p>　　2=1 所以=</p><p>　　=cos 75.5°</p><p>　　=×100%≈23%>20%</p><p>　

35、　所以原系統(tǒng)超調(diào)量不滿足要求</p><p><b>　　==8s>2s</b></p><p>　　原系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間也不滿足要求</p><p><b>　　四、系統(tǒng)綜合</b></p><p>　　利用期望指標(biāo)繪制根軌跡</p><p>　　設(shè)計校正規(guī)律和校正裝置（

36、電路圖、裝置參數(shù)）</p><p>　　當(dāng)取 此時=0.5</p><p>　　=16.3%>20%</p><p><b>　　滿足系統(tǒng)要求</b></p><p>　　系統(tǒng)綜合過程表達(dá)（根軌跡圖上）</p><p>　　計算微分校正補(bǔ)償角ψ</p><p>　

37、　將 S=-1±j代入開環(huán)傳遞函數(shù)求得幅角值為</p><p>　　arg[G(s)]=arg[]=-arg[s]-arg[s+2]=-- </p><p><b>　　=</b></p><p>　　不滿足幅角條件應(yīng)該增加微分校正裝置使幅角條 件為</p><p>　　arg[]+arg[(s)]=

38、7;</p><p>　　所以： ψ=arg[]=±-arg[]=</p><p>　　由作圖法確定校正裝置的零點(diǎn) 極點(diǎn)位置為</p><p>　　-= -=-1- </p><p>　　校正裝置的傳函=kgc (2-4)</p><p>　　由幅值條件增益補(bǔ)償角kgc 將主導(dǎo)

39、極點(diǎn)代入幅值條件</p><p>　　||=1 則算出kgc=1.114</p><p>　　微分校正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　R(S) C(S) </p><p><b>　　圖1-5</b></p><p><b>　　五、系統(tǒng)物理模

40、擬圖</b></p><p><b>　　原系統(tǒng)模擬圖</b></p><p><b>　　圖1-6</b></p><p>　　原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線（使用MATLAB仿真）</p><p><b>　　圖1-7</b></p><p>&

41、lt;b>　　綜合后系統(tǒng)模擬圖</b></p><p><b>　　圖1-8</b></p><p>　　4.綜合后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（使用MATLAB仿真） </p><p><b>　　圖1-9</b></p><p><b>　　六. 心得體會<

42、/b></p><p>　　為期一周的《自動控制原理》課程設(shè)計結(jié)束了，個人感覺自己又學(xué)到了好多以前不知道的東西。收獲頗多，在馬老師細(xì)心指導(dǎo)下，我們的課程設(shè)計比較順利，而且本次自動控制原理課程設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)和落足點(diǎn)都很好。通過本次課程設(shè)計，我不但復(fù)習(xí)了知識，理解的公式的由來，認(rèn)識掌握了一些軟件的操作和實(shí)現(xiàn)，更解決了好多模棱兩可的知識點(diǎn)，而且還養(yǎng)成了當(dāng)遇到問題和故障時，如何分析、解決問題的良好習(xí)慣，課程設(shè)計時間雖

43、短，但使我受益匪淺?？偟膩碚f，通過這次課程設(shè)計，我的能力、素質(zhì)又提高一大截！另外，感謝敬愛的馬老師，感謝您耐心的指導(dǎo)。我會通過此次課程設(shè)計為基石，更加倍努力認(rèn)真專研自動控制理論這門課程，掌握它精髓的部分。不會讓你失望的，最后再一次由衷地感謝您馬老師。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　孫亮等.自動控制原理.北京:工業(yè)大學(xué)出版社,2009