基于根轨迹模型的控制系统分析与校正开题报告

大学毕业设计(论文)开题报告自动化院(系)测控技术与仪器专业12级1202班课题名称：基于根轨迹模型的控制系统分析与校正设计学生姓名：学号：指导教师：报告日期：2016-3-151．本课题所涉及的问题及应用现状综述随着计算机仿真理论与技术的发展，目前各个科学与工程领域均已开展了仿真技术的研究。系统仿真技术已经被公认为是一种新的实验手段，在科学与工程领域发挥着越来越重要的作用。动态系统计算机仿真是一门以系统科学、计算机科学、系统工程理论、随机网络理论、随机过程理论、概率论、数理统计和时间序列分析等多个科学理论为基础的，以工程系统和各类社会经济系统为主要处理对象的。以数学模型和数字模型和数字计算机为主要研究工具的新兴的边缘学科，它属于技术科学的范畴。计算机仿真通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的综合评估与预测。它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能的一种技术手段，在工程设计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。计算机仿真的基本内容包括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。近年来，由于计算机技术的迅猛发展和应用数学研究的进展，诸如最优控制、自适应控制、预测控制、模糊控制、人工神经网络控制、鲁棒控制等的出现，使自动控制理论又有了日新月异的发展。控制的对象和过程自动地按照预定的规律运行。例如使导弹能够命中目标；宇宙飞船准确地登上月球，并按预定的时间与地点返回地球；机床能够自动加工出符合一定形状与精度的零件；机器人能按一定的规律进行某种操作；化学反应器在一定的压力、温度所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制装置使被下反应并生产出合格的产品等，都离不开自动控制理论与自动控制技术的发展。自20世纪40年代以来自动控制应用的领域越来越广泛，除了在航天航空技术、军事装备及部门、工业生产过程中，自动控制技术起着特别重要的作用外，目前大至世界及国家政治经济管理、能源控制、医疗卫生、地区规划、交通运输，小至人的日常生活，都离不开自动控制理论及自动控制技术的应用。因此，我觉得这项研究极具意义，所以想在这个方向进行深层研究。2.本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析在经典控制理论中，系统校正设计，就是在给定的性能指标下，对于给定的对象模型，确定一个能够完成系统满足的静态与动态性能指标要求的控制器（称为校正器或补偿控制器），即确定校正器的结构与参数。当系统的性能指标以时域的形式出现时，通常用根轨迹法进行校正。这是因为系统的动态性能取决于它的闭环零极点在S平面上的分布。因此根轨迹法校正的特点就是：如何选择控制的零极点，去促使系统的根轨迹朝有利于提高系统性能的方向变化，从而满足设计的要求。二阶系统的性能指标和参数之间具有明确的解析式，而高阶系统没有这一点，只能通过寻找对系统动态性能起决定作用的主导极点，从而近似二阶系统，在留有余量的情况下，作为设计依据。因此可以把讨论对系统性能指标的要求转化为对系统期望主导极点在S平面的分布要求。所以，根轨迹校正法就是迫使被校正系统的根轨迹通过主导极点而达到校正的目的。一、串联超前校正的概念超前校正设计：是指利用校正器对对数幅频曲线有正斜率的区段及其相频曲线具有正相移区段的系统校正设计。突出特点：校正后系统的剪切频率比校正前的大，系统的快速性能得到提高。适用范围：要求稳定性好，超调小及动态过程响应快的系统被经常采用。基本思路：通过所加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点：1、低频段的满足稳态精度的要求；2、中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；3、高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。基本原理：利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，以达到改善系统瞬态响应的目的。为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率（剪切频率）处。一、串联滞后校正的概念用频率法对系统进行滞后校正的基本原理是利用滞后校正网络的高频幅值,衰减特性校正原系统的低频段，以达到改善系统稳态性能的目的。滞后校正的使用场合：在系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的情况下，可考虑采用串联滞后校正。保持原有的已满足要求的动态性能不变，而用以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差。滞后校正的不足之处是校正后系统的截止频率会减小，瞬态响应的速度要变慢；在截止频率处，滞后校正网络会产生一定的相角滞后量。最后，绘制出系统的闭环根轨迹图并分析，通过采用校正装置改变系统的根轨迹,从而将闭环主导极点配置到需要的位置。解决思路：(1)给出串联超前校正根轨迹几何设计方法；(2)（2）给出串联滞后校正根轨迹几何设计方法(3)利用MATLAB进行仿真；(4)比较二者校正结果的优缺及应用。技术方案：用MATLAB语言对自动控制中仿真对象的前向通道的传递函数CG()5KsSS+1Go(s)=S(S+8)反馈通道传递函数1H(s)=S+2绘制出系统的闭环根轨迹图并分析。3.预期目标的可行性分析频域分析法是应用频率特性研究控制系统的一种经典方法。频率分析法主要包括三种方法：Bode图（幅频/相频特性曲线）；Nyquist曲线。采用这些方法可直观的表达。掌握MATLAB软件应用时十分重要的。控制系统的动态性能,是控制系统暂态响应时的性能,在很大程度上是由闭环系统的零点和极点决定的,线性系统的动态性能主要取决于系统极点的位置.极点配置就是通过一个状态反馈,使闭环系统的极点配置在希望的位置上,从而使系统具有较满意的性能.根轨迹与性能:稳定性根轨迹若越过虚轴进入S右半面，与虚轴交点处的k极为临界增益稳态性能根据坐标原点的根数，确定系统的型别。同时可以确定对应的误差系数0k0.5临界阻尼K=0.5欠阻尼k0.5闭环极点全部位于s左半面，与闭环零点无关:闭环极点均远离虚轴，以使每个分量衰减更快闭环零点可以抵消或消弱附近闭环极点的作用。将MATLAB软件应用到该门课程教学中，可以解决深奥繁琐的计算，简单、方便又精确的绘图，并可以用丰富多彩的图形来说明抽象的控制原理，可以提高学生的学习兴趣。早期的校正器设计利用试凑法，其计算量非常大，而且还要手工绘制系统的频率特性图，很难达到满意的结果。2．完成本课题的工作方案:认真学习《自动控制原理》、《控制理论》和《过程控制》等，熟悉MATLAB软件，具有独立学习钻研、完成工作能力，掌握基本的有关线性系统可控性和可观测性的条件以及设计方法，了解MATLAB软件的基本操作方法，学会用MATLAB实现函数基本功能。第一周：复习《自动控制理论》以及《过程控制》等教材内容，查找相关资料，了解控制理论的发展及应用。第二周至第三周：查阅有关利用MATLAB进行线性系统仿真的实例，学会基本应用方法，完成开题报告。第四周至第六周：掌握根轨迹的超前和滞后校正以及方法。第七到第九周：给出校正的设计方法，利用MATLAB编写程序。第十周至第十一周：对系统进行整体测试调试，解决问题，完成课题的设计。第十二周至十四周：完成论文撰写，准备论文答辩。4．指导教师审阅意见指导教师(签字)：年月日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计)正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。