自動控制課程設(shè)計---超前校正系統(tǒng)分析與設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　題 目: 超前校正系統(tǒng)分析與設(shè)計</p><p>　　初始條件：某單位反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： </p><p>　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及

2、說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　求K=70000時的相位裕度和幅值裕度</p><p>　　求相位裕度為70°時的K值</p><p>　　求相位裕度為0°時的K值</p><p>　　用Matlab繪制K＝5000時的Bode圖和Nyquist圖</p><p>　　用Matlab繪制

3、根軌跡</p><p>　　K=100000，擾動為階躍信號，為使穩(wěn)態(tài)誤差≤0.1，允許的擾動信號的最大幅值是多少？（輸入信號為0）</p><p>　　如果實際擾動大于上一步計算的允許值，怎樣解決？詳述理由</p><p>　　認(rèn)真撰寫課程設(shè)計報告。</p><p><b>　　時間安排：</b></p>

4、<p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p&

5、gt;　　超前校正系統(tǒng)分析與設(shè)計4</p><p><b>　　1、求未知參數(shù)4</b></p><p><b>　　1.1系統(tǒng)分析4</b></p><p>　　1.2 求K=70000時的相位裕度和幅值裕度4</p><p>　　1.3 相角裕度為70時K值大小5</p>

6、<p>　　1.4 相角裕度為0時K值大小6</p><p>　　2.用matlab畫相應(yīng)圖形7</p><p>　　2.1當(dāng)K=5000時，其Bode圖和Nyquist圖7</p><p>　　2.2 用Matlab繪制根軌跡9</p><p>　　3.允許的擾動信號的最大幅值9</p><p>

7、;　　4.擾動的解決方法10</p><p><b>　　5.心得體會10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p>　　本科生課程設(shè)計成績評定表12</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　

8、MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的

9、問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。</p><p>　　此次課程設(shè)計就是利用MATLAB對一單位反饋系統(tǒng)進(jìn)行滯后-超前校正。通過運(yùn)用MATLAB的相關(guān)功能，繪制系統(tǒng)校正前后的伯德圖、根軌跡和階躍響應(yīng)曲線，并計算校正后系統(tǒng)的時域性能

10、指標(biāo)。</p><p>　　所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標(biāo)。系統(tǒng)校正的常用方法是附加校正裝置。按校正裝置在系統(tǒng)中的位置不同，系統(tǒng)校正分為串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。按校正裝置的特性不同，又可分為PID校正、超前校正、滯后校正和滯后-超前校正。</p><p>　　在系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高而抑制噪聲電平性

11、能要求較高的情況下，可以考慮采用串聯(lián)滯后校正。此外，如果待校正系統(tǒng)已具備滿意的動態(tài)性能，僅穩(wěn)態(tài)性能不能滿足指標(biāo)要求，也可以采用串聯(lián)滯后校正以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，同時保持其動態(tài)性能仍然滿足性能指標(biāo)要求。</p><p>　　關(guān)鍵字：超前-滯后校正 MATLAB 伯德圖 時域性能指標(biāo)</p><p>　　超前校正系統(tǒng)分析與設(shè)計</p><p>　　1、已知某一參數(shù)

12、求未知參數(shù)</p><p><b>　　1.1系統(tǒng)分析</b></p><p>　　由結(jié)構(gòu)圖可列以下幾式：</p><p>　　G= 1-1</p><p>　　G= 1-2</p><

13、;p>　　= GG 1-3</p><p>　　將1-1、1-2式代入1-3式中，得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p>　　= 1-4</p><p>　　1.2 求K=70000時的相位裕度和幅值裕度</p><p>　　當(dāng)K=

14、70000時，帶入1-4式中，用matlab計算，得：</p><p>　　num=[70000 70000]</p><p>　　den=conv([1 5 0],[1 110 1000]);</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=2.918 r=17.077<

15、;/p><p>　　故相角裕度 r=17.0077</p><p>　　幅值裕度 h=20lg=7.2035</p><p>　　1.3 相角裕度為70時K值大小</p><p>　　利用matlab畫伯德圖，取不同K值，采用夾逼法得當(dāng)相角裕度為70時K值的值，函數(shù)流程如下：</p><p>　　Num=[1200

16、 12000]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000])</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=13.3688 r=71.7675</p><p>　　Num=[1300 13000]</p><p>　

17、　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000])</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=12.3404 r=68.2320</p><p>　　Num=[12484 12484]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 100

18、0])</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=12.8505 r=70.0010</p><p>　　因此當(dāng)相角裕度為70時，可知K=12484</p><p>　　1.4 相角裕度為0時K值大小</p><p>　　方法同上，利用matlab

19、畫伯德圖，取不同K值，采用夾逼法得當(dāng)相角裕度為0時K值的值，如下：</p><p>　　Num=[160000 160000]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000])</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=1.0027 r=0

20、.0507</p><p>　　Num=[161000 161000]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000])</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=0.9964 r=-0.683</p><p>　　

21、Num=[160424 160424]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000])</p><p>　　[kg,r,wg,wc]=margin(tf(num,den))</p><p>　　Kg=1.0000 r=1.1033e-004</p><p>　　因此當(dāng)相角裕度為0時，可得K=160424<

22、;/p><p>　　2.用matlab畫相應(yīng)圖形</p><p>　　2.1當(dāng)K=5000時，其Bode圖和Nyquist圖</p><p>　　Num[5000 5000]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000]);</p><p>　　Bode(num,den)</p>

23、;<p>　　圖2-1 bode圖</p><p>　　Num[5000 5000]</p><p>　　Den=conv([1 5 0],[1 110 1000]);</p><p>　　Bode(num,den)</p><p>　　Nyquist(num,den)</p><p>　　畫出Nyqui

24、st圖</p><p>　　圖2-2 Nyquist圖</p><p>　　2.2 用Matlab繪制根軌跡</p><p><b>　　圖2-3根軌跡圖</b></p><p>　　3.允許的擾動信號的最大幅值</p><p>　　K=100000，擾動為階躍信號，為使穩(wěn)態(tài)誤差≤0.1，求允許的

25、擾動信號的最大幅值</p><p>　　e（∞）=s·E（s）</p><p><b>　　=100R/K</b></p><p>　　因為穩(wěn)態(tài)誤差≤0.1，故</p><p><b>　　100R≤0.1K</b></p><p><b>　　R≤100

26、</b></p><p>　　即允許的擾動信號的最大幅值為100</p><p><b>　　4.擾動的解決方法</b></p><p>　　解決方法： 增大系統(tǒng)開環(huán)增益或者擾動作用點(diǎn)之前系統(tǒng)的前向通道增益。</p><p>　　理由： 在本系統(tǒng)中，增大擾動點(diǎn)作用前系統(tǒng)的前向通道增益，使K值增大，穩(wěn)態(tài)誤差為1

27、00R/K,K值增大，致使穩(wěn)態(tài)誤差減小，也就是說，在誤差允許范圍內(nèi)，使得擾動信號的最大允許幅度也隨之增大。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　在很多人眼中為期一周的課程設(shè)計是一種煎熬，確實，課設(shè)和我們習(xí)慣的單純的看書做題目不一樣，它更考驗我們對知識的理解和應(yīng)用。通過這次自控的課程設(shè)計中我可謂受益匪淺。</p><p&

28、gt;　　首先當(dāng)然是對于課本知識的再學(xué)習(xí)和更深刻的理解，和做題目不一樣，在做課設(shè)時需要全方面的考慮問題，而不是單純的算出一個結(jié)果，雖說這個過程并不算是多么的漫長或艱難，但是這種經(jīng)歷確實能讓我們養(yǎng)成一種不斷探索的科學(xué)研究精神，我想對于工學(xué)學(xué)生這個是很重要的。</p><p>　　這次課設(shè)對我的另一大考驗就是MATLAB的應(yīng)用，雖說之前也有過應(yīng)用經(jīng)歷。但是并沒有具體到在自動控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，所以自己查資料是必須的，對

29、于工科學(xué)生來說查資料也是必備的能力，有些問題在不會時看上去很可怕，但是在看過資料后才發(fā)現(xiàn)也沒有想象的那么難，這次課設(shè)中用到的MATLAB就比我之前想的要容易，提高我們的自學(xué)意識和自學(xué)能力，通過這次課設(shè)，我在查資料的能力上也確實得到了提高，除開圖書館，上網(wǎng)搜索也的確是不錯的選擇。</p><p>　　無論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是課設(shè)給我知識之外的一點(diǎn)小小的感悟。在這次課程設(shè)

30、計的過程中，雖然開始有不少知識不是很了解，但通過查找資料以及咨詢同學(xué)和老師，最后都得到了解決，在尋找答案的過程中，我學(xué)到了很多平時缺少的東西，也使我深深認(rèn)識到認(rèn)真學(xué)習(xí)的重要性，平時看似不起眼的一些知識點(diǎn)在關(guān)鍵時刻卻有著重要的作用。通過這次對控制系統(tǒng)的滯后校正設(shè)計的分析，讓我對串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)有了更清晰的認(rèn)識，同時也學(xué)會了公式編輯器的基本使用方法，加深了對課本知識的進(jìn)一步理解。</p><p>　　同時，這次課程設(shè)

31、計讓我接觸到Matlab軟件，用它對控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，大大簡化了計算和繪圖步驟，計算機(jī)輔助設(shè)計已經(jīng)成為現(xiàn)在設(shè)計各種系統(tǒng)的主要方法和手段，因此熟練掌握各種繪圖軟件顯得尤為重要。在今后的學(xué)習(xí)中，我會發(fā)揮積極主動的精神，把所學(xué)知識與實踐結(jié)合起來，努力掌握Matlab等相關(guān)軟件的使用方法。</p><p>　　在這次課程設(shè)計過程，也讓我深深地體會團(tuán)隊精神的重要性。從課程設(shè)計的入手到最后分析，對于一個人來說可能是個不小

32、的挑戰(zhàn)，注意到每個細(xì)節(jié)更是不易，我們班的各位同學(xué)在獨(dú)立思考的基礎(chǔ)上，遇到難題互相幫助，使各種難題得到了解決。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，僅有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計過程中遇到的問題是很多的，但我想難免會遇到這樣或那樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)

33、現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固……通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王萬良.《自動控制原理》. 北京：高等教育出版社.，2008 </p><p>　　[2] 劉叔軍.《MATLAB7.0控制系統(tǒng)應(yīng)用與實例》.北

34、京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[3] 王正林.《MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真》.北京：電子工業(yè)出版，2005 </p><p>　　[4] 何衍慶. 《MATLAB語言的運(yùn)用》. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[5] 李素玲. 《自動控制原理》. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2007</p>