自控課程設(shè)計(jì)--自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　信息科學(xué)與工程學(xué)院</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</b></p><p>　　課程名稱： 自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì) </p><p>　　班 級(jí)： 自動(dòng)化2009級(jí)1班 </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)題目：</b

2、></p><p>　　已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：，用Bode圖設(shè)計(jì)方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　用Bode圖設(shè)計(jì)方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串連校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性指標(biāo)：</p><p>　　（1）校正后，系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)；<

3、/p><p>　　（2）校正后，系統(tǒng)的相角裕度；</p><p>　?。?）校正后，系統(tǒng)的截止頻率。</p><p><b>　　報(bào)告要求：</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)完成后，每位同學(xué)必須獨(dú)立書寫一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，注意：不得抄襲他人的報(bào)告（或給他人抄襲），一旦發(fā)現(xiàn)，成績(jī)?yōu)榱惴?。課程設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括以下四個(gè)部

4、分：</p><p>　　（1）設(shè)計(jì)要求分析，確定串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)思路（滯后校正，超前校正或滯后-超前校正）；</p><p>　?。?）詳細(xì)設(shè)計(jì)（包括的圖形有：串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，校正前系統(tǒng)的波德圖，校正裝置的波德圖，校正后系統(tǒng)的波德圖，校正實(shí)現(xiàn)的電路圖）；</p><p>　?。?）MATLAB編程代碼及運(yùn)行結(jié)果（包括圖形及運(yùn)算結(jié)果）；</p><

5、p>　　（4）總結(jié)。包括課程設(shè)計(jì)過(guò)程中的學(xué)習(xí)體會(huì)與收獲、對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)等內(nèi)容。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)分析：</b></p><p>　　調(diào)節(jié)前已知已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　假定此時(shí)的系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)是符合要求的，即： 則有：</p><p><b>

6、　　故有，</b></p><p>　　通過(guò)MATLAB軟件，G(S)在單位階躍信號(hào)下的響應(yīng)曲線，為：</p><p>　　圖1.未校正前系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下的響應(yīng)曲線</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p>　　numg=[32];</p><p>　　den

7、g=[0.025 0.35 1 0];</p><p><b>　　numh=[1];</b></p><p><b>　　denh=[1];</b></p><p>　　[num,den]=feedback(numg,deng,numh,denh,-1);</p><p>　　t=[30:0.11

8、:40];</p><p>　　step(num,den,t);</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　通過(guò)MATLAB軟件，繪制校正前系統(tǒng)的波特圖：</p><p>　　圖2. 未校正前系統(tǒng)的Bode圖</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b&g

9、t;</p><p>　　h1=tf([32],[1 0]);</p><p>　　h2=tf([1],[0.1 1]);</p><p>　　h3=tf([1],[0.25 1]);</p><p>　　h=h1*h2*h3;</p><p>　　[num,den]=tfdata(h);</p><

10、;p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　w=logspace(-1,2,100);</p><p>　　bode(sys,w);grid;</p><p>　　[gm,pm,wcg,wcp]=margin(sys)</p><p>　　margin(sys);</p><p>　　gmdb

11、=20*log10(gm);</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　gm =0.4375</p><p>　　pm = -19.5408</p><p>　　wcg =6.3246</p><p>　　wcp = 9.2795</p><p>

12、　　由圖1.可知，未校正前系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下的響應(yīng)曲線，很明顯的可以看出，未校正前系統(tǒng)是振蕩發(fā)散的，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。此時(shí)增益裕度gm =0.4375，相位裕度pm =-19.5408，相角穿越頻率wcg =6.3246，幅值穿越平率wcp = 9.2795。系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且相位裕度pm =-19.5408為負(fù)值，如果采用串聯(lián)超前校正，為了得到規(guī)定的相角裕度，將會(huì)需要超前網(wǎng)絡(luò)提高很大的相角超前量。這樣，超前網(wǎng)絡(luò)的a值必須選得很大，從而造成

13、已校正系統(tǒng)帶寬過(guò)大，使得通過(guò)系統(tǒng)的高頻噪聲電平很高，很可能使系統(tǒng)失控。而串聯(lián)滯后校正是利用滯后網(wǎng)絡(luò)或PID控制器進(jìn)行串聯(lián)校正的基本原理，利用其具有負(fù)相移和負(fù)幅值的特斜率的特點(diǎn)，幅值的壓縮使得有可能調(diào)大開(kāi)環(huán)增益，從而提高穩(wěn)定精度，也能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。在系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高而抑制噪聲電平性能要求較高的情況下，可以考慮采用串聯(lián)滯后校正。由于設(shè)計(jì)題目?jī)H僅對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，系統(tǒng)的相角裕度，以及系統(tǒng)的截止頻率有限制條件，并未對(duì)響應(yīng)速度作

14、要求，只要響應(yīng)速度在能接受的范圍就行了，因此本次設(shè)計(jì)完全可以采用串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)來(lái)作為校正環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)分析已確定了，串聯(lián)滯后環(huán)節(jié)理論上的可行性，現(xiàn)在就需要確定滯后環(huán)節(jié)的各參數(shù)。 滯后校正裝置的電路圖：</p><p>　　圖3.相位滯后RC網(wǎng)絡(luò)</p><

15、p>　　假設(shè)輸入信號(hào)源的內(nèi)阻為零，輸出負(fù)載為無(wú)窮大，可求的其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　由設(shè)計(jì)分析過(guò)程中可知，在 處，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為20lg32dB,</p><p>　　穿過(guò)剪切頻率= wcp = 9.

16、2795 ，相應(yīng)的相角穩(wěn)定裕度 pm =-19.5408，顯然未校正前的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。</p><p>　　計(jì)算未校正系統(tǒng)相頻特性中對(duì)應(yīng)于相角裕度為時(shí)的頻率 。由于</p><p><b>　　解得： </b></p><p>　　此值不符合的要求，因此不能選擇的。我們不妨，先設(shè)定，然后再檢驗(yàn)所設(shè)定的值是否符合要求，也是一種思路。經(jīng)過(guò)多次

17、檢測(cè)之后，選定，顯然這個(gè)值符對(duì)截止頻率的要求。當(dāng)時(shí)，令未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為，從而求出串聯(lián)校正裝置滯后的系數(shù)。由于未校正系統(tǒng)的增益在 處為20lg32dB，故有：</p><p>　　于是選擇： =11.0345，:；</p><p>　　從而選定： </p><p>　　于是u，滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：</p><p>

18、　　所以，電路的相關(guān)參數(shù)為：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　校正裝置的Bode圖為：</p><p>　　圖4. 校正裝置的Bode圖</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p>　　h=tf([1 0.3625],[11.0

19、345 0.3625]);</p><p>　　[num,den]=tfdata(h);</p><p>　　[mag,phase,w]=bode(num,den);</p><p>　　subplot(211);</p><p>　　semilogx(w,20*log10(mag));grid;</p><p>　　

20、subplot(212);</p><p>　　semilogx(w,phase);grid</p><p>　　xlabel('w');</p><p><b>　　校正后系統(tǒng)分析：</b></p><p>　　串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)后的結(jié)構(gòu)圖為：</p><p>　　圖5. 串聯(lián)滯后

21、校正環(huán)節(jié)后的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由此，可以的得出校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　繪出校正后系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下的響應(yīng)曲線，為：</p><p>　　圖6. 校正后系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下的響應(yīng)曲線</p><p>　　由曲線，可以看出串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)變穩(wěn)定了，其相關(guān)參數(shù)為：</p><p>

22、;　　超調(diào)量： ； 調(diào)節(jié)時(shí)間：，這些參數(shù)雖不是很理想，但在一定條件下是可以接受的。</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p><b>　　m=[32];</b></p><p>　　n=[1 0.29];</p><p>　　numg=conv(m,n);</p>

23、<p><b>　　a=[1 0];</b></p><p>　　b=[0.1 1];</p><p>　　c=[0.25 1];</p><p>　　d=[11.0345 0.29];</p><p>　　deng=conv(a,conv(b,conv(c,d)));</p><p&g

24、t;<b>　　numh=[1];</b></p><p><b>　　denh=[1];</b></p><p>　　[num,den]=feedback(numg,deng,numh,denh,-1);</p><p>　　t=0:0.1:30;</p><p>　　step(num,den,t

25、)</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　校正后系統(tǒng)的Bode圖為：</p><p>　　圖7. 校正后系統(tǒng)的Bode圖</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p>　　h1=tf([32],[1 0]);</p>

26、<p>　　h2=tf([1],[0.1 1]);</p><p>　　h3=tf([1],[0.25 1]);</p><p>　　h4=tf([1 0.3625],[11.0345 0.3625])</p><p>　　h=h1*h2*h3*h4;</p><p>　　[num,den]=tfdata(h);</p&g

27、t;<p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　w=logspace(-1,2,100);</p><p>　　bode(sys,w);grid;</p><p>　　[gm,pm,wcg,wcp]=margin(sys)</p><p>　　margin(sys);</p><p>

28、;　　gmdb=20*log10(gm);</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer function:</p><p>　　s + 0.3625</p><p>　　----------------</p><p>　　11.03 s + 0.3625

29、</p><p>　　gm = 4.2682</p><p>　　pm = 37.3077</p><p>　　wcg = 5.9477</p><p>　　wcp = 2.4336</p><p><b>　　校正后相角裕度為：</b></p><p><b>

30、　　pm =</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的截止頻率：</b></p><p>　　系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)</p><p>　　選定，是完全符合題目的要求的。</p><p><b>　　收獲與體會(huì)：</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)

31、對(duì)校正前系統(tǒng)性能的分析，結(jié)合超前校正環(huán)節(jié)和滯后校正環(huán)節(jié)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及他們的適用范圍的綜合考慮下，選擇了</p><p>　　采用滯后校正環(huán)節(jié)作為這次課程設(shè)計(jì)主要方法。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，真正地做到把理論運(yùn)用于實(shí)際。雖說(shuō)平時(shí)我們也做過(guò)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)的局限性很難然我們?nèi)娴牧私庾詣?dòng)控制設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)，加上實(shí)驗(yàn)是在指導(dǎo)老師反復(fù)說(shuō)明之下著手做的，因此，想在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)知識(shí)的缺

32、漏貌似有點(diǎn)勉強(qiáng)。但在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，完全是自己思考，自己設(shè)計(jì)，完全沒(méi)有他人的干預(yù)，將自己的想法表現(xiàn)出來(lái)，我覺(jué)得這樣很好。遇到問(wèn)題通過(guò)查找資料以及復(fù)習(xí)課本，在設(shè)計(jì)中的問(wèn)題得到了解決，在尋找答案的過(guò)程中，我加深了對(duì)平時(shí)上課時(shí)學(xué)到的知識(shí)的理解，也體會(huì)到將理論結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)、分析的成就感，還使自己看到平時(shí)學(xué)習(xí)的漏洞，因?yàn)橛幸恍┛此撇黄鹧鄣男≈R(shí)點(diǎn)有時(shí)也是需要考慮的重點(diǎn)。就比如說(shuō)吧，在解得 不符合的要求，因此不能選擇的時(shí)，我陷入了盲區(qū)，不僅書上

33、的例題，我查了好多資料都是符合要求的情況，可在這里卻偏偏遇到了相反的情況，慣性思維讓我有點(diǎn)不知所措。好在后來(lái)想到了先確定符合條件的，然后再檢驗(yàn)其他條件，在這個(gè)過(guò)程中我嘗試了好多次，才找到我能接受的值。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)中Matlab軟件的應(yīng)用起到了很大的幫助，以前學(xué)習(xí)這門課程的時(shí)候，覺(jué)得貌似不是很重要，直到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)他的重要性。尤其是在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，用它對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算和繪

34、圖步驟。在今后的學(xué)習(xí)中，需要發(fā)揮積極主動(dòng)的精神，把所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，努力掌握Matlab等相關(guān)軟件的使用方法。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)還是很有意義的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，僅有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。</p><p><b>　　參考文

35、獻(xiàn):</b></p><p>　　[1] 吳懷宇 廖家平.自動(dòng)控制原理.華中科技大學(xué)出版社.2007年</p><p>　　[2] 胡壽松.自動(dòng)控制原理.科學(xué)出版社.2000年</p><p>　　[3] 胡壽松.自動(dòng)控制原理解題題典.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2003年</p><p>　　[4] 鄭阿奇 曹弋. MATLAB實(shí)用