自动控制原理飞行器课设

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书目录1设计分析...............................................11.1系统分析............................................11.1.1系统时域分析....................................21.1.2系统频域分析....................................31.2二阶系统性能改善方法选择..............................31.2.1比例-微分控制（PD控制）..........................41.2.2测速反馈控制....................................41.2.3校正选择.......................................52设计方案...............................................52.1校正后的系统结构图...................................52.2系统参数的选取.......................................62.3校正前后的系统比较...................................83心得体会...............................................9参考文献................................................101飞行器控制系统设计1设计分析1.1系统分析系统的开环传递函数为：4500()(361.2)KGSSS系统的静态速度误差系数为045004500lim()(361.2)361.2vsKKKsGSSS由控制系统的时域性能指标要求，单位斜坡输入的稳态误差sse0.000443。系统的稳态误差为1361.20.0004434500ssveKK即186.67K取200K，则系统开环传递函数为900000()(361.2)GSSS系统的Simulink仿真图如图1-1。图1-1系统的Simulink仿真图系统的闭环传递函数为：2900000()361.2900000SSS21.1.1系统时域分析可以通过Simulink中的示波器察其单位阶跃响应。也可以通过Matlab编程得到其单位阶跃响应波形。程序如下：%绘制单位阶跃响应曲线Num=[900000];den=[1,361.2,900000];step(Num,den);grid;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('校正前系统的单位阶跃响应');系统单位阶跃响应如图1-2。由系统单位阶跃响应曲线，可以得到系统的时域性能指标：最大超调量%54%%5上升时间0.00130.005rtss调节时间0.0290.008stss图1-2系统单位阶跃响应由单位阶跃响应曲线，可以看出系统在阶跃输入下还是可以稳定输出的，但是超调量比较大，有较大的振荡，上升时间满足指标要求，超调量和调节时间均不满足系统指标要求。00.0050.010.0150.020.0250.0300.20.40.60.811.21.41.6校正前系统单位阶跃响应t(sec)c(t)31.1.2系统频域分析利用Matlab编程绘制系统的Bode图，程序如下：%绘制系统Bode图G=tf([900000],[1361.20]);figure(1)margin(G);grid[gm,pm,wg,wp]=margin(G);系统Bode图如图1-3。由系统Bode图，可以得到系统的频域性能指标：相位裕量21.580幅值裕度h截止频率915/cwrads可见此系统并不满足指标要求。所以我们要加入相关环节，改善系统的性能。图1-3系统Bode图1.2二阶系统性能改善方法选择在改善二阶系统性能的方法中，比例-微分控制和测速反馈控制是两种常用的方法。这个两种方法均能使系统的阻尼比增大而自由频率不变，从而使系统的稳定性增强，下面对这两种方法做进一步的分析。101102103104-180-135-90Phase(deg)BodeDiagramGm=InfdB(atInfrad/sec),Pm=21.5deg(at915rad/sec)Frequency(rad/sec)-50050Magnitude(dB)41.2.1比例-微分控制（PD控制）比例-微分控制系统的二阶系统图如图1-4所示。图1-4比例-微分控制系统的二阶系统由方框图我们可得系统的开环传递函数为：(1)()(/21)dnKTSGSSSw式中/2nKw，称为开环增益。若令1/dzT,则系统的闭环传递函数为：222()()2ndnnwSzSzSwSw式中/2dnwz由上面两个式子表明，比例—微分控制系统不改变系统的自然频率，但可增大系统的阻尼比。由于与nw均与K有关，所以选择适当的开环增益和微分器时间常数，既可以减小系统在斜坡输入时的稳态误差，又可以使系统在阶跃输入时有满意的动态性能。1.2.2测速反馈控制测速反馈控制系统的二阶系统图如图1-5所示。图1-5测速反馈控制系统的二阶系统2(2)nnsswwtKSR（s）C(s)1dTS2(2)nnwSSwR(S)C(S)5由图5可知，系统的开环传递函数为：21()2[/(2)1]tntnnnwGSKwSSwKw式中开环增益为：2ntnwKKw相应的闭环传递函数为：222()2ntnnwSSwSw其中12ttnKw同时可得12ddnTw由上式可见，测速反馈与比例-微分控制不同的是，测速反馈会降低系统的开环增益，从而加大了系统在斜坡输入时的稳态误差：相同的是，同样不影响系统的自然频率，并可增大系统的阻尼比。1.2.3校正选择原始系统分析和对比例-微分和测速反馈性能的比较，比例-微分控制系统可以满足系统的要求，这是由于比例微分系统增加了一个闭环零点，使系统在增大阻尼比的同时还能增加系统的反应速度，而测速反馈仅能使系统的稳定性增强，而且还会增大系统的稳态误差。2设计方案2.1校正后的系统结构图通过上一单元的分析与计算，我们选择比例-微分控制来改善飞行器控制系统的性能，校正后的系统结构图如图2-1所示。6图2-1校正后的系统结构图2.2系统参数的选取校正后系统的开环传递函数为：4500(1)()(361.2)dKTSGSSS系统的闭环传递函数为：24500(1)()(361.24500)4500ddKTSSSKTSK系统的静态速度误差系数为045004500lim()(361.2)361.2vsKKKsGSSS系统的稳态误差为1361.20.000434500ssveKK即186.67K取200K,0.002dT则系统的开环传递函数为21800900000()361.2SGSSS系统的闭环传递函数为21800900000()2161.2900000SSSS通过Matlab编程得到其单位阶跃响应波形。程序如下：%绘制单位阶跃响应曲线Num=[1800,900000];1dTS4500(361.2)KSSR(S)C(S)7den=[1,2161.2,900000];step(Num,den);grid;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('校正后系统单位阶跃响应');系统单位阶跃响应如图2-2。图2-2校正后系统的阶跃响应曲线由校正前系统单位阶跃响应图像，可以得到系统的时域性能指标：最大超调量%2.67%%5上升时间0.00190.005rtss调节时间0.00380.008stss由此，可知校正后符合系统要求的时域性能指标。利用Matlab编程绘制校正后的Bode图，程序如下：%绘制校正后的Bode图G=tf([1800,900000],[1361.20]);figure(1)margin(G);grid[gm,pm,wg,wp]=margin(G);系统Bode图如图2-3。由图像可知，校正后系统的相位裕度为01234567x10-300.20.40.60.811.21.4校正后系统单位阶跃响应t(sec)c(t)8相位裕度85.980图2-3校正后系统的Bode图2.3校正前后的系统比较将校正前后系统的单位阶跃响应绘制在一张图上,如图2-4。Matlab程序如下：G1=tf([900000],[1,361.2,900000])t=0:0.00001:0.4y1=step(G1,t);G2=tf([1800,900000],[1,2161.2,900000])y2=step(G2,t);plot(t,y1,'--',t,y2);gridxlabel('t');ylabel('c(t)');title('校正前后单位阶跃响应对比图');text(0.005,1.4,'校正前');text(0.002,1.0,'校正后');-200204060Magnitude(dB)101102103104-100-98-96-94-92-90Phase(deg)BodeDiagramGm=Inf,Pm=85.9deg(at1.83e+003rad/sec)Frequency(rad/sec)9图2-4校正前后系统的单位阶跃响应曲线系统加入了PD环节，系统的动态性能取得了明显的改善，超调量大大减少，上升时间然也缩短，符合系统的性能指标要求3心得体会自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航天及航空等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动环境，丰富和提高了人们的生活水平。在今天的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明进步做出了极大的贡献。这次自动控制原理课程设计中也让我了解到了自动控制在多方面的应用。平常我们上自动控制原理课时，老师讲的都是理论知识，没有试验的验证与对比，在这次自动控制原理课程设计中，就暴露出了一些问题。我开始在做飞行器控制系统设计时，按部就班的套用书上的公式，算完系统开环传递函数时域性能指标后，在Matlab中仿真分析，发现得到的阶跃响应曲线与理想中的有差距，要学会充分利用计算机辅助设计，提高工作效率。通过本次课程设计，翻书、上网查资料，与同学讨论，让我的实际动手能力增强很多，让我对自动控制原理这门课程所学的知识有了进一步的理解，加深了对理论基础知识的掌握，让我学以致用，使知识的掌握更加牢固，感谢老师们耐心的辅导，感谢老师们给我们时间独立的思考。00.0050.010.0150.020.02500.20.40.60.811.21.41.6tc(t)校正前后单位阶跃响应对比图校正前校正后10参考文献[1]胡寿松.自动控制原理（第五版).科学出版社，2007[2]王万梁.自动控制原理.北京高等教育出版社，2008[3]陈杰.Matlab宝典(第二版).电子工业出版社.2010[4]孟宪蔷.控制系统工程.航空工业出版社，1992[5]辛革.易用工业控制导论.科学出版社，198711