自動控制課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 基礎設計...............................1</p><p>　　1.1設計內容....................................1</p><p>　　1.2設計要求..........................

2、..........1</p><p>　　1.3理論計算....................................2</p><p>　　1.4 Matlab仿真輔助分析設計的程序及校正前后對數頻率特性</p><p>　　曲線..................................................5</p>

3、<p>　　1.5利用Matlab-Simulink建立校正前后系統(tǒng)模型.........9</p><p>　　第二章 應用設計...............................14</p><p>　　2.1設計內容..........................................14</p><p>　　2.2設計要求

4、..........................................14</p><p>　　2.3理論計算..........................................14</p><p>　　2.4 Matlab仿真輔助分析設計的程序及校正前后對數頻率特性</p><p>　　曲線......................

5、...........................15</p><p>　　第三章 課程設計總結..........................17</p><p>　　參考文獻.....................................18</p><p><b>　　第一章 基礎設計</b></p>

6、<p><b>　　1.1設計內容</b></p><p>　　針對某單位負反饋系統(tǒng)，利用有源串聯超前校正網絡進行系統(tǒng)校正，當開關S接通時為超前校正裝置，其傳遞函數,其中，，，“-”號表示反向輸入端。若，且開關S斷開，該裝置相當于一個放大系數為1的放大器。通過正確計算校正裝置的模型，使系統(tǒng)性能達到設計要求，并通過Matlab仿真軟件進行輔助分析，最后利用實驗裝置搭建該系統(tǒng)，測出校正

7、前后系統(tǒng)性能，分析仿真與實測結果的等效性。</p><p><b>　　1.2基本設計要求</b></p><p>　　1）引入該校正裝置后，單位斜坡輸入信號作用使，穩(wěn)態(tài)誤差()0.1 開環(huán)截止頻率4.4弧度/秒 相位裕量45</p><p>　　2）根據性能指標要求，確定串聯超前校正裝置傳遞函數</p><p>

8、　　3）設校正裝置R=100k R=R=50k,,根據計算結果確定有源超前校正網絡元件參數R、C值</p><p>　　4）若利用有源放大器模擬該系統(tǒng)，試根據已知原系統(tǒng)模型和校正裝置模型，繪制引入校正裝置后系統(tǒng)電路原理圖（設給定的電阻和電容：R=100k,C=1F若干）</p><p>　　5）利用Matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后及校正裝置對數頻率特性曲線，并驗算設計結果。&

9、lt;/p><p>　　6）在Matlab-Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前后系統(tǒng)單位階躍響應特性，并進行系統(tǒng)性能比較。</p><p><b>　　1.3理論計算</b></p><p>　　1) 確定速度誤差系數</p><p>　　速度穩(wěn)態(tài)誤差：, 則, 取</p><p><b

10、>　　原系數傳遞函數： </b></p><p>　　求相位穿越頻率：令, 得：</p><p><b>　　校正后相位裕量：</b></p><p>　　因此采用串聯超前校正。</p><p>　　2) 沒串聯超前校正裝置為：</p><p>　　若校正后系數得截止頻率；其中是

11、校正裝置產生最大超前角時的角頻率值，則原系統(tǒng)在處的對數幅值和校正裝置得關系為:</p><p><b>　　則校正裝置：</b></p><p>　　3) 校正后系統(tǒng)傳遞函數：</p><p><b>　　校正后相位裕量：</b></p><p>　　滿足要求,故校正裝置：</p>&

12、lt;p><b>　　由已知：</b></p><p><b>　　, , </b></p><p><b>　　且： </b></p><p><b>　　則： </b></p><p><b>　　令 </b>&l

13、t;/p><p><b>　　解得： </b></p><p>　　校正裝置電路圖如圖1-1所示</p><p>　　圖1-1 校正裝置電路圖</p><p>　　校正后系統(tǒng)電路圖如圖1-2所示</p><p>　　圖1-2 校正后系統(tǒng)電路圖</p><p>　　1.4

14、 Matlab仿真輔助分析設計的程序及校正前后對數頻率特性曲線</p><p>　　利用Matlab進行仿真設計（校正），就是借助Matlab相關語句進行上述運算，完成以下任務：1）確定校正裝置模型2）繪制校正前、后、校正裝置對數頻率特性3）確定校正后性能指標，從而達到輔助分析設計的目的。</p><p>　　針對設計要求，利用Matlab進行串聯超前校正的設計過程如下：</p&g

15、t;<p>　　1、繪制原系統(tǒng)對數頻率特性，并要求原系統(tǒng)幅值穿越頻率相位穿越頻率相位裕量[即]幅值裕量</p><p>　　num=[10.3];</p><p>　　den=[1,1,0];</p><p>　　W=tf(num,den);</p><p><b>　　bode=(W);</b></

16、p><p>　　margin(W);</p><p>　　[Gm,Pm,wj,wc]=margin(W);</p><p><b>　　grid;</b></p><p>　　原系統(tǒng)伯德圖如圖1-3所示，其幅值穿越頻率、相位裕量、幅值裕量從圖中可見。另外，在MATLAB Workspace下，也可得到此值。由于幅值穿越頻率和

17、相位裕量都小于要求值，故采用串聯超前校正較為合適。</p><p>　　圖1-3 原系統(tǒng)伯德圖</p><p>　　繪制校正裝置頻率特性</p><p>　　numc=[0.428,1];</p><p>　　denc=[0.119,1];</p><p>　　Wc=tf(numc,denc);</p>

18、<p>　　bode(Wc );</p><p><b>　　grid；</b></p><p>　　其對數頻率特性如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 校正裝置頻率特性曲線</p><p>　　校正后系統(tǒng)頻率特性，并求校正后系統(tǒng)幅值裕量，相位裕量，相位穿越頻率和幅值穿越頻率</p>

19、<p>　　numh=conv(num,numc);</p><p>　　denh=conv(den,denc);</p><p>　　Wh=tf(numh,denh);</p><p><b>　　bode(Wh);</b></p><p>　　margin(Wh);</p><p>

20、;　　[Gm,Pm,wj,wc]=margin(Wh);</p><p><b>　　grid;</b></p><p>　　其對數頻率特性如圖1-5所示。</p><p>　　圖1-5 校正后系統(tǒng)頻率特性曲線</p><p>　　從圖中可見截止頻率、相位裕量、幅值裕量、校正后各項性能指標均達到要求</p>

21、<p>　　在同一坐標里繪制校正前、校正裝置和校正后系統(tǒng)頻率特性</p><p>　　bode(W,’:’);</p><p><b>　　hold on;</b></p><p>　　bode(Wc,’-.’);</p><p><b>　　hold on;</b></p>

22、;<p><b>　　bode(Wh);</b></p><p><b>　　grid;</b></p><p>　　其對數頻率特性如圖1-6所示。</p><p>　　圖1-6 校正前、校正裝置和校正后系統(tǒng)頻率特性曲線</p><p>　　1.5利用Matlab-Simulink建

23、立校正前后系統(tǒng)模型</p><p>　　Simulink 中的“Simu”一詞表示可用于計算機仿真，而“Link”一詞表示它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統(tǒng)模型。作為MATLAB的一個重要組成部分，Simulink由于它所具有的上述的兩大功能和特色，以及所提供的可視化仿真環(huán)境、快捷簡便的操作方法，而使其成為目前最受歡迎的仿真軟件。</p><p>　　首先進入MATL

24、AB然后單擊工具欄上的圖標，就會打開Simulink窗口，如圖1-7所示。</p><p>　　圖1-7 Simulink窗口</p><p>　　然后在打開的窗口中選擇需要的器件，然后單擊鼠標右鍵將會出現添加器件的選項，點擊添加器件，將會在新建的模型窗口添加選中的器件。最后按照電路連線。</p><p>　　1、原系統(tǒng)單位階躍響應</p><

25、p>　　原系統(tǒng)仿真模型如圖1-8所示。</p><p>　　圖1-8 原系統(tǒng)仿真模型圖</p><p>　　系統(tǒng)運行后，輸出階躍響應如圖1-9所示。</p><p>　　圖1-9 原系統(tǒng)單位階躍響應曲線</p><p>　　2、校正后系統(tǒng)單位階躍響應</p><p>　　校正后系統(tǒng)仿真模型如圖1-10所示。&

26、lt;/p><p>　　圖1-10 校正后系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　系統(tǒng)運行后，輸出階躍響應如圖1-11所示。</p><p>　　圖1-11 校正后系統(tǒng)單位階躍響應曲線</p><p>　　3、校正前和校正后的單位階躍響應比較</p><p>　　仿真模型如圖1-12所示</p><p&g

27、t;　　圖1-12 校正前和校正后系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　系統(tǒng)運行后，輸出階躍響應如圖1-13所示。</p><p>　　圖1-13 校正前和校正后系統(tǒng)的階躍響應曲線</p><p>　　第二章 應用設計</p><p><b>　　2.1 設計內容</b></p><p>&l

28、t;b>　　直線一級倒立擺建模</b></p><p>　　直線一級倒立擺由直線運動模塊和一級擺體組件組成，是最常見的倒立擺之一。</p><p>　　倒立擺系統(tǒng)是典型的自不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，由于倒立擺系統(tǒng)本身所具有的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合特性，許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、快速性和抗干擾能力，都可以通過倒立擺系統(tǒng)直觀地表示出來。</

29、p><p>　　倒立擺的物理構成可以表述為：光滑的導軌，與導軌存在很大摩擦阻力的小車，和一個質量塊的擺桿。小車與擺桿的鉸接方式決定了它們在豎直平面內運動。水平方向的驅動力F使小車根據擺角的變化而在導軌上運動，從而達到倒立擺系統(tǒng)的平衡。</p><p><b>　　2.2 設計要求</b></p><p>　　1）考慮一個單位負反饋系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函

30、數為：</p><p>　　2）設計控制器，是得系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差常數為10，相位裕量為，增益裕量等于或大于10分貝。</p><p>　　3）根據性能指標要求，確定串聯超前校正裝置傳遞函數。</p><p>　　4）利用Matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后及校正裝置對數頻率特性曲線，并驗算設計結果。</p><p><b>

31、;　　2.3 理論計算</b></p><p>　　倒立擺單位負反饋系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數為：</p><p>　　增加一個超前校正就可以滿足設計要求，設超前校正裝置為：</p><p>　　已校正系統(tǒng)具有開環(huán)傳遞函數</p><p><b>　　設</b></p><p><b&

32、gt;　　式中</b></p><p>　　根據穩(wěn)態(tài)誤差要求計算增益K</p><p><b>　　可以得到：</b></p><p><b>　　于是有：</b></p><p>　　2.4 Matlab仿真輔助分析設計的程序及校正前后對數頻率特性曲線</p><

33、p>　　在Matlab中畫出的Bode圖</p><p><b>　　clear</b></p><p>　　num1=[2.6705];</p><p>　　den1=[0.0102125 0 -0.26705];</p><p>　　bode(num1,den1)</p><p>　　圖

34、2-1 加入增益后的Bode 圖</p><p>　　輸入nyquist(num1,den1)得</p><p>　　圖2-2 增加增益后的Nyquist 圖</p><p><b>　　課程設計總結</b></p><p>　　通過本學期對《自動控制原理》這門課程的學習，是我對自動化專業(yè)有了更深的了解，同時極大的提

35、高了我對自動化專業(yè)的興趣。課堂學習主要注重于理論知識，而我們要將所學知識應用于實際，在此階段，課程設計便是最好的選擇了，通過課程設計，我們可以溫習我們所學的理論知識，同時為將理論知識運用于實際搭建了一個很好的平臺，不僅如此，通過這次的課程設計，使我知道了在當今的信息技術如此發(fā)達的世界中，我們必須運用多種渠道，去學習研究。并要很好的運用計算機和一些軟件，只有這樣，我們才能更好地、精確地、快速地解決問題。還有就是提高了自主解決問題的能力。

36、</p><p>　　這次的課程設計也不例外。雖然我們以前學了一點MATLAB，不少課本上也有提到過 MATLAB，但是我們還是不怎么熟練，通過這次自動控制原理課程讓我更好地學會了如何去使用這個軟件。自動控制原理的知識在課堂上掌握的也不是很好，所以這次課程設計對于我來說真是難度不小啊。在很多人眼中為期兩周的課程設計或許是一種煎熬，這是可以理解的，在這兩周當中，我們不僅要完成這個課程設計，而且還要學習其他專業(yè)課。

37、</p><p>　　對于MATLAB 的學習，我們先從以前教材中翻看相關的內容，因為這些書上講的比較精簡易懂，看完之后便對MATLAB 有了更深地了解和懂得了一些簡單編程，接下來我再去圖書館借相關的書籍進行借鑒和參考，當要用什么功能時，就在書上翻看相應部分的內容，這樣MATLAB就應用起來了。 </p><p>　　每一次課程設計都會學到不少東西，這次當然也不例外。不但對自動控制原理的

38、知識鞏固了，也加強了MATLAB 這個強大軟件使用的學習，這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在自己和同學相互協助下，終于迎刃而解了。</p><p>　　同樣十分感謝XX、XX老師在此次實驗中給我提出的建議與不足，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設計的每個實驗細節(jié)和每個數據，都離不開老師您的細心指導。而您

39、開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 孫虎章.自動控制原理（修訂版）.中央廣播電視大學出版社，1994</p><p>　　[2] 胡壽松.自動控制原理(第五版).北京科學出版社，2007</p><p>　　[3] 薛定

40、宇.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助技術.機械工業(yè)出版社，2005 </p><p>　　[4] 蔣珉.控制系統(tǒng)計算機仿真.電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[5] 劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計教程.中國水利水電出版社，2005</p><p>　　[6] 楊庚辰.自動控制原理.西安電子科技大學出版社.1994.4</p><p>　　[

41、7] 朱衡君.MATLAB語言及實踐教程(第二版).清華大學出版社，2009.8</p><p>　　[8] 張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應用.電子工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[9] 薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設計.清華大學出版社，2000</p><p>　　[10] 梅曉榕.自動控制原理.科學出版社，2002</p><p&