20自动控制原理课程设计

江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》《自动控制原理》课程设计报告姓名：高陆及__________学号：1345533107______班级：13电气1班______专业：电气工程及其自动化学院：电气与信息工程学院江苏科技大学（张家港）2015年9月江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》11目录一、设计目的................................................................................................................2二、设计任务................................................................................................................2三、具体要求................................................................................................................2四、设计原理概述........................................................................................................34.1校正方式的选择...............................................................................................34.2集中串联校正简述...........................................................................................34.2.1串联超前校正.........................................................................................34.2.2串联滞后校正.........................................................................................34.2.3串联滞后-超前校正...............................................................................34.2.4串联校正装置的一般性设计步骤.........................................................3五、设计方案及分析....................................................................................................45.1高阶系统的频域分析.......................................................................................45.1.1原系统的频率响应特性及阶跃响应....................................................55.1.2使用Simulink观察系统性能................................................................65.1.3搭建模拟实际电路................................................................................75.1.4对原系统的性能分析............................................................................95.2校正方案确定与校正结果分析.......................................................................95.2.1采用串联超前网络进行系统校正......................................................105.2.3采用串联滞后—超前网络系统进行校正..........................................145.2.4使用EWB搭建校正后模拟实际电路...............................................18六、总结......................................................................................................................21江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》22一、设计目的1.通过课程设计熟悉频域法分析系统的方法原理2.通过课程设计掌握滞后—超前校正作用与原理3.通过在实际电路中校正设计的运用，理解系统校正在实际中的意义二、设计任务控制系统为单位负反馈系统，开环传递函数为)1025.0)(11.0()(sssKsG，设计滞后-超前串联校正装置，使系统满足下列性能指标：1、开环增益100K2、超调量30%p3、调整时间0.5sts三、具体要求1、要求分别用手工设计方法和计算机编程设计方法设计校正装置，可以是多个；2、其次根据设计结果，在计算机上进行仿真；3、并利用线性组件（运算放大器、电阻、电容等）构成各种环节，在模拟装置上进行实验调试，达到规定的性能指标。江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》33四、设计原理概述4.1校正方式的选择按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正4种。串联校正是最常用的一种校正方法，这种方式经济，且设计简单，易于实现，在实际应用中多采用这种校正方式。串联校正方式是校正器与受控对象进行串联连接的。本设计按照要求将采用串联校正方式进行校正。根据控制系统的性能指标表达方式可以进行校正方法的确定。本设计要求以频域指标的形式给出，因此采用基于Bode图的频域法进行校正。4.2集中串联校正简述串联校正可分为串联超前校正、串联滞后校正和滞后—超前校正等。4.2.1串联超前校正超前校正的目的是改善系统的动态性能，是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域点。4.2.2串联滞后校正滞后校正通过加入滞后校正环节，是系统的开环增益有较大幅度的增加，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，是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。4.2.3串联滞后-超前校正滞后—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的要求的场合。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。4.2.4串联校正装置的一般性设计步骤以上3种不同的串联校正方法的一般性设计步骤如下：（1）根据静态性能指标，计算开环系统的增益。之后求取校正前系统的频率特性指标，并与设计要求进行比较。江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》44（2）确定校正后期望的穿越频率，具体值的选取与所选取的校正方式相适应。（3）根据待设计的校正环节的形式和转折频率，计算相关参数，进而确定校正环节。（4）得出校正后系统。检验系统满足设计要求。如不满足则从第二步重新开始。在MATLAB中基于Bode图进行系统设计的基本思路是通过比较校正前后的频率特性，尝试选定合适的校正环节，根据不同的设计原理，确定校正环节参数。最后对校正后的系统进行检验，并反复设计直至满足要求。其间，配合使用Simulink和EWB进行系统原理仿真和实际电路仿真，对实验结果进行验证，确保准确。五、设计方案及分析对于本设计的题目，是一个三阶系统，所以需要我们采用高阶系统的分析方法。5.1高阶系统的频域分析对于一般的三阶或三阶以上的高阶系统，要准确推导出开环频域特征量（和c）与时域指标（%和st）之间的关系是很困难的，即使导出这样的关系式，使用起来也不方便，使用起来也不方便，在控制工程分析与设计中，通常采用下述两个从工程实践中总结出来的近似公式，由c和估算系统动态性能指标：%100)]1sin1(4.016.0[%)9035(])1sin1(5.2)1sin1(5.12[2cts)9035(可以求得：17.79c；47.79*；100K；应题目要求，可以取K=300；江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》555.1.1原系统的频率响应特性及阶跃响应为了直观而且准确地表现出原系统的频率响应特性和阶跃响应，以便对原系统的动态性能进行分析，我们使用MATLAB对原系统进行处理，这样可以运用强大的计算机功能再现所需。再现原函数的MATLAB程序如下:s=tf(‘s’);G0=300/(s*(0.1*s+1)*(0.025*s+1));%原系统开环传递函数[Gm,Pm]=margin(G0);%返回系统相对稳定参数margin(G0)%绘制系统的Bode图figure;step(feedback(G0,1))%系统单位阶跃响应经过程序运行结果得到系统Bode图和阶跃响应，分别如图5-1和图5-2所示:图5-1校正前系统Bode图江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》66图5-2校正前系统单位阶跃响应从图中得出，虽截止频率（44.3rad/s）达到要求，但其相角裕度(-35.2deg)远小于期望裕度，而且系统在短暂的发散震荡后迅速大幅等幅震荡，十分不稳定，所以必须进行校正。5.1.2使用Simulink观察系统性能Simulink是集成在MATLAB中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在Simulink中我们可以先搭建起原系统的方框图，然后由计算机帮我们完成对系统的模拟。首先，在Simulink中新建系统模型，如图5-3所示:图5-3系统模型江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》77然后按下上方工具栏中间的运行按键，对系统进行仿真。接着打开示波器模块Scope，查看系统阶跃响应，如图5-4所示图5-4系统的Simulink仿真结果图中的信号先是短时间的发散震荡，待达到最大的振幅之后就保持起等幅震荡，和图5-2相对应。5.1.3搭建模拟实际电路在模拟系统之后，再将原系统运用模拟软件模拟实际电路。此处，我们使用EWB。EWB是一款著名的电子设计自动化软件，与NIUltiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件。是入选伯克利加大SPICE项目中为数不多的几款软件之一。EWB在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟。EWB提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。未校正系统的传递函数：)1025.0)(1.0(003)(ssssG江苏科技大学（张家港）《自动控制原理课程设计》88可分解为以下三级传函数级联形式：)1025.0)(11.0(01.03)(ssssG其中，11.01s惯性环节