自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)---控制系統(tǒng)分析及整定

1、<p><b>　　</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目 控制系統(tǒng)分析及整定 </p><p>　　課 程 名 稱 自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì) </p><p>　　系 部 </p&

2、gt;<p>　　專 業(yè) </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　起 止 日 期 </b></

3、p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的目的 1</p><p>　　二、本課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)的內(nèi)容和要求1</p><p>　　2.1課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：1</p><p>　　2

4、.2課程設(shè)計(jì)的要求：1</p><p>　　三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析及整定2</p><p>　　3.1、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析2</p><p>　　3.2、控制系統(tǒng)的根軌跡分析6</p><p>　　3.3、控制系統(tǒng)的頻域分析12</p><p>　　3.4、單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定18</p>

5、<p>　　四、課程設(shè)計(jì)體會(huì)27</p><p>　　五、主要參考文獻(xiàn)27</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的目的 本次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)的目的是讓學(xué)生能綜合運(yùn)用所學(xué)的自動(dòng)控制理論知識(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真軟件，進(jìn)行部分自動(dòng)控制原理的驗(yàn)證試驗(yàn)并能夠?qū)?jiǎn)單反饋控制系統(tǒng)的進(jìn)行設(shè)計(jì)和整定，以加深對(duì)自動(dòng)控制原理知識(shí)的理解，提高綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、分析解決問題的能力，從而為進(jìn)行后

6、續(xù)專業(yè)課程的深入學(xué)習(xí)和將來參與實(shí)際生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　二、本課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)的內(nèi)容和要求</p><p>　　2.1課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：</p><p>　　1．學(xué)習(xí)和熟悉計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算軟件MATLAB，重點(diǎn)學(xué)習(xí)SIMULINK工具箱的使用方法和MATLAB語言編程方法。</p><p>　　2．繪制和

7、觀察典型熱工對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，熟悉它們的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)的根軌跡分析，即已知某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，要求能繪制系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡，并利用根軌跡分析系統(tǒng)性能。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)的頻域分析，即已知某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，要求能繪制控制系統(tǒng)的奈奎斯特曲線并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　5．單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)

8、系統(tǒng)的整定，利用理論計(jì)算或工程整定方法對(duì)兩類典型的熱工對(duì)象的單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行整定，并觀察和分析調(diào)節(jié)器各參數(shù)值的變化對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響。</p><p>　　2.2課程設(shè)計(jì)的要求：</p><p>　　通過課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能掌握自動(dòng)控制的基本理論和基本分析方法，能應(yīng)用控制理論對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，能對(duì)單回路系統(tǒng)進(jìn)行整定計(jì)算，能夠較熟練地將MATLAB軟件應(yīng)用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析

9、。具體要求有：</p><p>　　1.MATLAB軟件作為課程設(shè)計(jì)的主要工具，應(yīng)能較好地掌握和熟練的運(yùn)用；學(xué)會(huì)使用SIMULINK工具箱和利用MATLAB語言編程兩種方法進(jìn)行仿真。</p><p>　　2．掌握繪制對(duì)象或系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的方法，熟悉典型熱工對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 </p><p>　　3．掌握繪制根軌跡的方法，通過觀察和分析進(jìn)一步明確根軌跡的概念，能夠利

10、用根軌跡定性分析系統(tǒng)性能。</p><p>　　4．掌握繪制對(duì)象或系統(tǒng)的奈奎斯特曲線的方法，通過觀察和分析曲線正確理解頻率響應(yīng)、頻率特性的概念，明確頻率特性的物理意義，理解奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的原理，掌握運(yùn)用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。</p><p>　　5. 掌握幾種常用的控制系統(tǒng)整定方法，并會(huì)利用這些方法對(duì)某一給定的單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行整定，同時(shí)注意觀察和分析對(duì)象參數(shù)和PID參數(shù)

11、的變化對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響。</p><p>　　三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析及整定</p><p>　　3.1、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析</p><p>　　3.1.1、二階環(huán)節(jié)或系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析</p><p>　?、倭頚=1,=2, ξ分別取0、0.4、0.5、1和1.5時(shí)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b&g

12、t;　　分析：</b></p><p>　?、诹頚=1,=0.216或0.5, 分別取2、4和6時(shí)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　3.1.2、典型熱工對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析</p><p>　?。?）有自平衡能力的熱工對(duì)象</p><p

13、>　?、倭頚=1,n=5,分別取1、4和8時(shí)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、诹頚=1,=5,n分別取2、4和6時(shí)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）無自平衡能力的熱工對(duì)象&l

14、t;/p><p>　?、倭頽=5, =1, 分別取1、2和3時(shí)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、诹?=5, =1, n分別取2、4和6時(shí)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析： </b></p><p&g

15、t;　　3.2、控制系統(tǒng)的根軌跡分析</p><p>　　3.2.1、已知某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　?。?）當(dāng)a=0時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖，系統(tǒng)阻尼系數(shù)=0.5時(shí)k的值及此時(shí)系統(tǒng)特征方程式的根：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）當(dāng)a=3時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖，系統(tǒng)

16、阻尼系數(shù)=0.5時(shí)k的值及此時(shí)系統(tǒng)特征方程式的根：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）分析開環(huán)零點(diǎn)（s=-a）變化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響</p><p>　　令a分別取值為-4、-2、-1、0、1、2和4，取多個(gè)值觀察閉環(huán)根軌跡變化：</p><p><b>　　分析：<

17、;/b></p><p>　　3.2.2、已知某單回路系統(tǒng)</p><p>　　（1）有自平衡能力的熱工對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p>　?、偈归]環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、谙到y(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率ψ=0.75時(shí)調(diào)節(jié)器參數(shù)

18、δ的值：</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　2.無自平衡能力的熱工對(duì)象傳遞函數(shù)為①閉環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、谙到y(tǒng)

19、瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率ψ=0.75時(shí)調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值：</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　3.3、控制系統(tǒng)的頻域分析</p><p>　　3.3.1、已知某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Gk(s)=</p><p>　　

20、（1）系統(tǒng)的奈奎斯特曲線及系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p>　　此時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　（2）系統(tǒng)增加一個(gè)開環(huán)極點(diǎn)p=2時(shí)的奈奎斯特曲線及系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p>　　此時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線</p><p>&

21、lt;b>　　分析：</b></p><p>　　3.3.2、已知某單回路系統(tǒng)</p><p>　?。?）有自平衡能力的熱工對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p>　?、偈归]環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　②系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)

22、的衰減率ψ=0.75時(shí)調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值及系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　（2）無自平衡能力的熱工對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p>　?、偈归]環(huán)系統(tǒng)邊界穩(wěn)定的調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值：</p><p

23、><b>　　分析：</b></p><p>　　②系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率ψ=0.75時(shí)調(diào)節(jié)器參數(shù)δ的值及系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p>　　對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　3.4、單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定</p>

24、<p>　　對(duì)下列單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行整定。先根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象估算出PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)（δ、Ti、Td）的值，再觀察各參數(shù)值的變化對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響。</p><p>　?。?）有自平衡能力的熱工對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p>　?、俑鶕?jù)衰減率ψ=0.75的要求整定出各調(diào)節(jié)器參數(shù)：</p><p>　　P型調(diào)節(jié)器：δ= ___;</p>

25、;<p>　　PI型調(diào)節(jié)器：δ= __，Ti = ____;</p><p>　　PID型調(diào)節(jié)器：δ= ___，Ti = ____，Td = ____;</p><p>　　Matlab語言編程對(duì)應(yīng)的仿真曲線（P、PI、PID對(duì)應(yīng)的三條曲線）：</p><p><b>　　分析：</b><

26、;/p><p>　　②改變PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真</p><p>　?。╥）令Ti =28.313, Td =7.078, Kp分別取5、10和15時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。╥i）令Kp=1/0.161, Td =7.078, Ti分別取10、20和30時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿

27、真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。╥ii）令Kp=1/0.161, Ti=28.313, Td分別取5、7和9時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　③有自平衡能力的PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p>

28、<p>　　衰減率ψ=0.75時(shí)，PID型調(diào)節(jié)器：δ= ___ ，Ti = ___ ，Td = ___ </p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。?）無自平衡能力的熱工對(duì)象傳遞函數(shù)為</p><p>　?、俑鶕?jù)衰減率

29、ψ=0.75的要求整定出各調(diào)節(jié)器參數(shù)：</p><p>　　P型調(diào)節(jié)器：δ= __</p><p>　　PI型調(diào)節(jié)器：δ= ___，Ti = __</p><p>　　PID型調(diào)節(jié)器：δ= _，Ti = _，Td = _</p><p>　　Matlab語言編程對(duì)應(yīng)的仿真曲線（P、PI、PID對(duì)應(yīng)的三條曲線

30、）：</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?、诟淖働ID調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真</p><p>　　（i）令Ti =54, Td =13.5, Kp分別取0.02、0.05和0.08時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p&

31、gt;　?。╥i）令Kp=1/22.41, Td =13.5, Ti分別取40、50和60時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　?。╥ii）令Kp=1/22.41, Ti=54， Td分別取5、10和15時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿真曲線:</p><p><b>　　分析：</b></

32、p><p>　?、蹮o自平衡能力的PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　衰減率ψ=0.75時(shí)，PID型調(diào)節(jié)器：δ= _ ，Ti = _ ，Td = _ </p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：</p><p><b>　　分析：</b></p><p><b>

33、;　　四、課程設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p><b>　　五、主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、《自控原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，講義</p><p>　　2、《熱工過程自動(dòng)控制原理》，陳紹炳 于向軍 編著，東南大學(xué)出版社，2003。</p><p>　　3、《MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真》，孫亮