自动控制原理课程设计王朕

文华学院自动控制理论课程设计题目：线性控制系统的设计与校正学生姓名：王朕学号：130301011125学部（系）：机电学部专业年级：电气131指导教师：范娟2015年6月30日文华学院自动控制理论课程设计I目录一、设计题目………………………………………………………1二、设计目的和要求……………………………………………………1三、设计总体思路………………………………………………………2四、详细设计步骤…………………………………………………2-11五、个人总结…………………………………………………………12-1-一、设计题目（一）在MATLAB仿真软件上完成系统的频域法串联校正。已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为：()(1)(2)oKGssss，设计串联校正装置，使校正后系统满足：110,15,%25%,45vsKsts二、设计目的和要求2.1、设计目的（1）、通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。（2）、理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。（3）、理解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。（4）、学习MATLAB在自动控制中的应用，会利用MATLAB提供的函数求出所需要得到的实验结果。（5）、从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。2.2、设计要求通过两种方式进行仿真：编制MATLAB-M文件或者在MATLAB/SIMULINK环境下搭建仿真模型进行仿真。要求：（1）画出未校正系统的根轨迹图，分析系统稳定时参数K的取值范围。（2）画出校正前系统的bode图，求出校正前系统的相角裕度'；画出校正前系统的阶跃响应曲线，估算出超调量和调节时间。（3）根据参数要求选择合适的校正方法，求出校正装置的传递函数。（4）将校正前后的阶跃响应曲线画在同一坐标下（以方便校正结果的比较），并记录校正前后系统的时域指标。（5）在同一坐标下画出校正前后的Bode图（以方便校正结果的比较），并记录校正前后系文华学院自动控制理论课程设计-2-统的相角裕量和幅值裕量。（6）应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。（7）根据仿真过程撰写课程设计报告。三、设计总体思路（1）根据给定静态误差系数的要求，确定系统的开环增益K；（2）根据确定的K值，画出未校正系统的伯德图，并求出相应的相位裕量和幅值裕量；画出未校正系统的单位阶跃响应，求出超调量和调节时间。（3）如果相位裕量不满足要求，则在对数相频特性曲线上找这样一个频率点，要求在该频率处的开环频率特性的相角为0180以这一频率作为校正后系统的截止频率c。式中，为系统所要求的相位裕量，是考虑到因滞后网络的引入，在截止频率c处产生的相位滞后量，一般取5~15。（4）设未校正系统在c处的幅值等于20lg，据此确定滞后网络的值。（5）选择迟后校正网络的转折频率21510ccT:，则另一个转折频率为11T。（6）画出校正后系统的伯德图，并验算相位裕量是否满足要求?画出校正后系统的单位阶跃响应，并验算超调量和调节时间是否满足要求？如果不满足要求，则可通过改变T值重新设计滞后校正网络。滞后校正网络的传递函数为：T1βTs1)(sGc四、详细设计步骤第一步：由题意可知，20,10)2)(1(limksskKv所以校正前系统开环传递函数为:)2)(1(20)(ssssG文华学院自动控制理论课程设计-3-第二步：通过MATLAB绘制出校正前系统的bode图和根轨迹图和单位阶跃响应图分别如图2和图3和图4：图2图3文华学院自动控制理论课程设计-4-图4源程序代码如下：num=[20];den=[1,3,2,0];G=tf(num,den);[mag,phase,w]=bode(num,den);figure(3),bode(num,den);[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den);[r,k]=rlocus(num,den);figure(5),rlocus(num,den);num=[20];den=[1,3,2,20];G=tf(num,den);[y,t]=step(num,den);figure(2),step(num,den);由图2和图4可知校正前系统的频域性能指标如下：由单位阶跃响应知：此为发散函数，无调节时间和超调量。幅值裕度hL=0.116dB；穿越频率x=1.42/rads;相角裕度γ=28°；剪切频率c=2.43/rads。文华学院自动控制理论课程设计-5-由以上得到的数据可知，而相角裕度不满足45的要求，需要校正。第三步：在对数相频特性曲线上找这一个频率点，在该频率处的开环频率特性的相角为0180，令γ=48°,ε=8°,Ø=﹣124°,以Ø对应的这一频率作为校正后系统的截止频率c。第四步：由上图可知c=0.416/rads，此时的幅值为26.7dB，-26.7=20Lgββ=0.046.第五步：选择迟后校正网络的转折频率由WcbT1.01523416.0046.010βWc10T，滞后的传递函数为s5231s241s5231s523046.01Ts1βTs1)(sGc第六步：超前校正装置参数确定后，校正后系统的开环传递函数为0()()()cGsGsGs=)5231)(2)(1(20480sssss通过MATLAB绘制出校正后系统的bode图和校正后系统的单位阶跃响应图分别如图7和图8：图7文华学院自动控制理论课程设计-6-图8原程序代码如下：num=[480.8,20];den=[522,1562,1040,482,20];G=tf(num,den);[y,t]=step(num,den);figure(2),step(num,den);第七步：验证校正后系统的各项性能指标是否满足要求。经研究已校正系统的bode图，从图7中可以看出，滞后装置加入系统后，与此同时，相角裕度为48°，从图8可以看出调节时间ts=11.5s，（△=5%），系统的超调量σ%=24%，系统满足了题目所给动态和静态的各项性能指标，因此，可以说校正后的系统性能指标达到了规定的要求。文华学院自动控制理论课程设计-7-第八步：将校正前后的博德图放在同一个坐标系里面文华学院自动控制理论课程设计1在THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱上完成二阶系统的串联校正。2.1、课程设计题目题目1：串联滞后校正设校正前系统的方框图如图所示，二阶闭环系统的方框图设计串联校正装置，使校正后系统满足：，，。校正前校正后文华学院自动控制理论课程设计2个人总结在《自动控制理论》课程设计中，我对自动控制有了更深的认识，对课本知识也有了更深的理解，熟悉了MATLAB基本编程方法。课程设计过程中，从整体思路的构建到具体每一步的实现，都是一个学习的过程。通过复习课本只是以及查阅相关资料，确定整体思路，演算确定校正网络参数，然后运用MATLAB软件进行编程，作图，在word编辑以及MATLAB编程中遇到了很多问题，通过上网查资料和请教同学得到解决，因此设计过程中提高了我的软件使用能力。MATLAB软件的使用是课程设计的核心，通过软件编程，我对MATLAB语言和应用有了更深的理解，特别熟悉了一些对自控使用的命令，如bode图绘制函数，利用MATLAB对控制系统进行频域分析，大大简化了计算和绘图步骤，是一款实用软件。通过本次课程设计，我体会到了学习自控原理，不仅要掌握书本上的知识，还要灵活思考，善于变换，在提出问题，分析问题，解决问题的过程中提高自己分析和解决问题的能力，要把理论和实际结合起来。从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力，最后，我还认识到做事要有恒心，信心和决心，定会取得成功和收获！