自動控制原理課程設計---燃油調節(jié)控制系統(tǒng)校正裝置設計

1、<p>　　自動控制原理課程設計</p><p>　　——燃油調節(jié)控制系統(tǒng)校正裝置設計</p><p><b>　　院系：機電工程學院</b></p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p><b>　　班級：</b></p><p><b>

2、;　　學號：</b></p><p><b>　　姓名：</b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　職稱：</b></p><p>　　2011年12月10日</p><p><b>　　自

3、動控制課程設計</b></p><p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　通過課程設計，掌握自動控制理論基本原理、一般電學系統(tǒng)自動控制方法的基礎上，用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調試。</p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p>　　收集和查閱有

4、關技術資料，獨立完成所承擔的設計課題的全部內容，初步掌握設計原則、設計方法、設計步驟和設計規(guī)范的應用；對工程設計方案進行選擇和分析；繪制設計圖；撰寫說明書。具體要求如下：</p><p>　　1.根據(jù)所學的控制理論知識（頻率法、根軌跡法等）進行人工設計校正裝置，初步設計出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)；</p><p>　　2.在MATLAB下，用simulink進行動態(tài)仿真，在計算機上對人工

5、設計系統(tǒng)進行仿真調試，使其滿足技術要求；</p><p>　　3.確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)（選作）；</p><p><b>　　4.完成設計報告。</b></p><p>　　本課程設計以設計報告的形式提交，要求論點清楚，論據(jù)充分，結構合理；分析問題有層次。包括設計思想，設計過程，圖（曲線），總結和數(shù)字仿真。</p>&

6、lt;p><b>　　三、設計題目</b></p><p>　　燃油調節(jié)控制系統(tǒng)校正裝置設計：</p><p>　　已知燃油控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:，設計超前校正裝置，使其校正后閉環(huán)主導極點滿足：階躍響應的超調量，調整時間，系統(tǒng)單位斜波響應穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　四、設計步驟</b></p&g

7、t;<p>　　思路：依題可知系統(tǒng)的性能指標是在時域范圍內提出的，給定了要求的超調量、調整時間及穩(wěn)態(tài)誤差，則采用根軌跡法進行設計和校正是很有效的，所以該題選用根軌跡法來設計校正裝置，最終使系統(tǒng)滿足要求，并利用MATLAB來進行校驗.</p><p>　　由所給開環(huán)傳遞函數(shù)畫根軌跡圖：</p><p>　　1）系統(tǒng)有三個開環(huán)極點：0、-4、-10，沒有開環(huán)零點，所以根軌跡有三條

8、，分別起始于開環(huán)極點，均趨于無窮遠處；</p><p>　　2)實軸上的根軌跡段為和區(qū)域，根軌跡對稱于實軸且連續(xù)變 化；</p><p>　　3）漸近線與實軸交點為：，</p><p><b>　　與實軸夾角為： ；</b></p><p>　　4）分離點會合點為：， ；</p><p>　　

9、解得: ;</p><p><b>　　;</b></p><p>　　可知均為分離點，分離角均為：；</p><p>　　5)與虛軸交點根據(jù)特征方程求解得：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　??；</b><

10、;/p><p>　　令實部和虛部為零：和解得：</p><p>　　所以原系統(tǒng)的根軌跡如下圖所示：</p><p>　?。ㄗⅲ河檬掷L和MATLAB繪制而成）</p><p>　　依題知要求單位斜波響應穩(wěn)態(tài)誤差： ，則：</p><p>　　可設校正裝置的傳遞函數(shù)為：，校正增益為</p><p>&

11、lt;b>　　則得：</b></p><p>　　求得： </p><p>　　原系統(tǒng)的單位階躍響應曲線圖如下所示：（用MATLAB獲得）</p><p>　　>> numg=2;</p><p>　　>>deng=conv([1 0],conv([0.25 1],[0.1 1]));&

12、lt;/p><p>　　>>[num1,den1]=cloop(numg,deng);</p><p>　　>>t=0:0.1:20;</p><p>　　>>[c1,x1,t]=step(num1,den1,t);</p><p>　　>> plot(t,c1,'-');grid;

13、</p><p>　　以曲線圖可知原系統(tǒng)的階躍響應超調量>60%,調整時間>12s，沒有滿足要求，所以必須進行校正。</p><p>　　2.根據(jù)題目要求及公式可求得性能指標和的值：</p><p>　　， 解得 ；</p><p>　　有曲線圖得振幅進入的誤差范圍此時：</p><p>　　，

14、 解得 ；</p><p>　　求的滿足題給條件的閉環(huán)極點為：；</p><p>　　對照根軌跡圖可看出原系統(tǒng)根軌跡不通過希望的閉環(huán)極點，且根軌跡位于期望極點的右側，則原根軌跡需要加以修正可在系統(tǒng)的前向通道中串入超前校正裝置。</p><p>　　校正裝置的確定：應使校正后的裝置的系統(tǒng)根軌跡通過希望的閉環(huán)主導極點，也就需要滿足相角條件： </p

15、><p>　　校正裝置產(chǎn)生的超前相角為：</p><p>　　對于所得的值，校正裝置的零、極點位置不唯一，在這取系數(shù)為最大值時確定的零、極點。</p><p><b>　　依圖得：</b></p><p><b>　　， ；</b></p><p><b>

16、　　， 令則得：；</b></p><p>　　由此確定超前校正裝置的零、極點位置(不唯一)。</p><p>　　原系統(tǒng)在希望主導極點上得相角為：</p><p>　　所以為使根軌跡通過希望的閉環(huán)極點，超前裝置應在該點上產(chǎn)生的相角。</p><p>　　又有 ： </p><p>　　則

17、有： </p><p>　　代入上式得： ；</p><p>　　故校正傳遞函數(shù)為： ；</p><p>　　所以： ， ；</p><p><b>　　校正傳遞函數(shù)化為：</b></p><p><b>　?。?lt;/b>&l

18、t;/p><p>　　為補償超前校正裝置的幅值衰減，需要加一個放大倍數(shù)為的補償放大器，有前面算得的，所以校正裝置的傳遞函數(shù)可視為： </p><p><b>　??；</b></p><p>　　校正后的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　;</b></p><p>　　4.

19、校正后傳遞函數(shù)的根軌跡及單位階躍響應曲線的變化。</p><p>　　校正后的系統(tǒng)根軌跡如圖所示:</p><p>　　>> num=[2.74 10];</p><p>　　>> den=conv([1 0],conv([0.25 1],conv([0.1 1],[0.026 1])));</p><p>　　>

20、;>rlocus(num,den);</p><p>　　校正后的單位階躍響應曲線圖如下圖所示：</p><p>　　>> numc=[2.74 10];</p><p>　　>>denc=conv([1 0],conv([0.25 1],conv([0.1 1],[0.026 1])));</p><p>　　

21、>>[num2,den2]=cloop(numc,denc);</p><p>　　>> t=0:0.1:10;</p><p>　　>> [c2,x2,t]=step(num2,den2,t);</p><p>　　>>plot(t,c2,'-');grid;</p><p>

22、　　由系統(tǒng)階躍響應曲線圖可以得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標為：</p><p>　　超調量： 調整時間：</p><p>　　而且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為： ，</p><p><b>　　，</b></p><p>　　所以得到: 符合題目要求。</p><p>　　以上各項及計算均存在一定誤差，但總體上滿

23、足題目要求，所以所求校正傳遞函數(shù)符合條件，校正后的傳遞函數(shù)能實現(xiàn)題中所要求的，所做設計基本可以。</p><p>　　五、Simulink仿真與調試</p><p>　　1.確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)</p><p>　　根據(jù)校正網(wǎng)絡及其特性和上面所求得校正裝置的表達式來看，本次校正裝置可用RC網(wǎng)絡構成的婺源超前校正裝置表示，RC超前網(wǎng)絡電路圖如下：</

24、p><p>　　網(wǎng)絡構成的超前校正裝置，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　令 ， </p><p>　　則：，超前校正裝置的零點，極點</p><p>　　由上面獲得的校正裝置的零、極點為：，；</p><p>　　解得：，，取代入、式</p><p><b>

25、　　可得：， </b></p><p>　　在Simulink下的系統(tǒng)設計和校正</p><p>　　利用Simulink仿真環(huán)境進行動態(tài)反仿真，采用超前校正設計的Simulink模型圖如下所示: (分別是校正前和校正后的單位階躍響應曲線)</p><p><b>　　（校正前）</b></p

26、><p><b>　?。ㄐＵ螅?lt;/b></p><p><b>　　六、設計總結</b></p><p>　　經(jīng)過這次設計，讓我更加了解了自動控制原理中校正系統(tǒng)的基本概念及對系統(tǒng)校正實際的相關步驟，通過對基礎知識的了解，對校正系統(tǒng)設計方案的比較，進一步認識到校正系統(tǒng)的合理性和使用性。課程設計離不開理論和實際應用的結合，設計過

27、程中方案的選擇和參數(shù)的設定是自控原理中最重要的部分，在選擇時要特別注意題目要求，依據(jù)所學知識合理分析系統(tǒng)各個性能指標，最終選擇一個較為合理的方案。</p><p>　　在這次課程設計中我遇到了不少麻煩，但在解決麻煩的過程中也收獲了很多，我認為在設計時應注意：(1）方法選擇，根據(jù)所給條件選擇是用根軌跡法還是用頻率法，這次設計題目給了超調量和調整時間等時域范圍內的性能指標，所以我用根軌跡法；(2)參數(shù)計算，一定要認真

28、細心，我在算數(shù)過程中就出錯了，結果算了三四邊才行；(3)用MATLAB繪圖應注意選合適的坐標范圍，得出較好的繪制圖；（4）用仿真環(huán)境進行動態(tài)仿真時，有時會出不來仿真模型，可多做幾次或隔段時間再做，要有耐心。通過設計讓我明白理論與實際并不一樣，動手操作可以很好的發(fā)現(xiàn)自己的不足，也鍛煉了自己，讓自己能較熟練的MATLAB運用軟件，對課本知識由更實際的了解,以后會鞭策自己更加用心的學習。</p><p><b&g

29、t;　　參考文獻：</b></p><p>　　自動控制原理----------------------電子工業(yè)出版社 謝克明主編；</p><p>　　自動控制計算機仿真與輔助設計------西安交通大學出版社 翁思義主編；</p><p>　　自動控制理論----------------------機械工業(yè)出版社 夏