控制理论课程设计

《控制理论》课程设计报告专业：自动化________班级：2班____________姓名：周瀚章__________学号：130109021112_____2016年6月13日目录1项目一1.1课程设计目的1.2课程设计要求1.3课程设计内容1.4分析与总结2项目二2.1课程设计目的2.2课程设计要求2.3课程设计内容2.4分析与总结一、设计题目线性控制系统的设计与校正二、串联校正设计原理图2-1为一加串联校正后系统的方框图。图中校正装置Gc(S)是与被控对象Go(S)串联连接。图2-1加串联校正后系统的方框图串联校正有以下三种形式：1)超前校正，这种校正是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能。2)滞后校正，这种校正是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使系统在满足稳态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。3)滞后超前校正，由于这种校正既有超前校正的特点，又有滞后校正的优点。因而它适用系统需要同时改善稳态和动态性能的场合。校正装置有无源和有源二种。基于后者与被控对象相连接时，不存在着负载效应，故得到广泛地应用。两种常用的校正方法：零极点对消法（时域法；采用超前校正）和期望特性校正法（采用滞后校正）。1.2课程设计要求（一）在MATLAB仿真软件上完成系统的频域法串联校正题目3：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1.3课程设计内容（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。特征方程为s(s+1+)(s+2)+k=0由特征方程列劳次表3s122s3ks2-3k0sk若系统稳定，则劳次表的第一列系数大于0，求得6k0Mablat程序如下：（2）k=10;（3）z=[];（4）p=[0,-1,-2];（5）[num,den]=zp2tf(z,p,k);（6）rlocus(num,den)未校正系统的根轨迹图（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。校正前的阶跃响应曲线超调量：%20%100*12.1%）（调节时间：Ts=10s由图可知'=-13Matlab程序如下：num=[10];den=[1320];margin(num,den)grid校正前系统的bode图校正前阶跃响应曲线的程序：k=1;num=[1];den=[1320];sys=tf(k*num,den);Lsys=feedback(sys,1,-1);[y,t,x]=step(Lsys);plot(t,y);ltiview调节时间：响应曲线从0到达并停留在稳态值的正负5%或正负2%误差范围所需要的最小时间.超调量：系统在响应过程中，输出量的最大值超过稳态值的百分数。（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。因为，题目要求相角裕度45，选择校正后系统的相角裕度'=）132（1801540由图可知，对应相角为132时频率为Wc=0.404,，幅值为21dB取20lgb=-21，得b=0.08,去滞后装置的第二个转折频率为0.1Wc=0.0404,0404.01bT则T=309.21，所以，校正装置传递函数为:TsbTssGc11)(=ss21.309197.251所以，校正后的传递函数为:))(21.3091()97.251(10)()(ssssHsG=)23)(21.3091()97.251(1023ssssssssss243.62165.93022.3091097.250234（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。校正后阶跃响应曲线程序：k=10;num=[25.097,1];den=[309.22,930.65,621.43,2,0];sys=tf(k*num,den);Lsys=feedback(sys,1,-1);[y,t,x]=step(Lsys);plot(t,y);ltiviewgrid校正前后画在同一坐标上的阶跃响应曲线（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），并记录校正前后系统的相角裕量和幅值裕量。校正前：相角裕度=-13幅值裕度19.2dB校正后：相角裕度=)132(180=48幅值裕度-2.952dB校正后程序：num=[250.97,10];den=[309.22,930.65,621.43,2,0];margin(num,den)grid同一坐标下校正前校正后bode图：（6）应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响1.超前校正的目的是改善系统的动态性能，实现在系统静态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。2.滞后校正通过加入滞后校正环节，使系统的开环增益有较大幅度增加，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越频率前移，达到增加系统相位裕度的目的。3.滞后-超前校正适用于对校正后系统的动态和静态性能有更多更高要求的场合。施加滞后-超前校正环节，主要是利用其超前部分增大系统的相位裕度，以改善系统的动态性能；利用其滞后部分改善系统的静态性能。1.4分析与总结控制系统设计的思路之一就是在原特性的基础上，对原特性加以校正，使之达到要求的性能指标。常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、和超前滞后校正装置。本实验主要讨论在MATLAB环境下进行串联校正设计，然后通过用SIMULINK创建校正前后系统的模块图并观察其超调量，整个过程使得我们对这几种校正方法有了更直观的认识。2项目二2.1课程设计目的1．通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2．掌握串联校正几种常用的设计方法和对系统的实时调试技术。2.2课程设计要求1．观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2．按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置；3．观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求；4．利用上位机软件，分别对校正前和校正后的系统进行仿真，并与上述模拟系统实验的结果相比较。2.3课程设计内容1．零极点对消法(时域法)进行串联校正1.1校正前根据图6-2二阶系统的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图6-12所示。图6-12二阶闭环系统的模拟电路图(时域法)电路参考单元为：通用单元1、通用单元3、通用单元2、反相器单元在r输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。1.2校正后在图6-12的基础上加上一个串联校正装置(见图6-3)，如图6-13所示。图6-13二阶闭环系统校正后的模拟电路图(时域法)电路参考单元为：通用单元1、通用单元6、通用单元3、通用单元2、反相器单元其中4.7uF=C10K,=R390K),400K(=R200K,=R=R3142实际取。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测P是否满足设计要求。注：做本实验时，也可选择图6-4中对应的校正装置，此时校正装置装置使用通用单元5、通用单元1，但510k和390k电阻需在无源元件单元取。加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线2．期望特性校正法2.1校正前根据图6-6二阶系统的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图6-14所示。图6-14二阶闭环系统的模拟电路图(频域法)电路参考单元为：通用单元1、通用单元3、通用单元2、反相器单元在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。2.2校正后在图6-14的基础上加上一个串联校正装置(见图6-9)，校正后的系统如图6-15所示。图6-15二阶闭环系统校正后的模拟电路图(频域法)注：80k电阻在实际电路中阻值可取82k。电路参考单元为：通用单元1、通用单元6、通用单元3、通用单元2、反相器单元在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测P和st是否满足设计要求。图6-11加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线实验思考题1．加入超前校正装置后，为什么系统的瞬态响应会变快？2．什么是超前校正装置和滞后校正装置，它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正？3．实验时所获得的性能指标为何与设计确定的性能指标有偏差？