飞行器控制系统-课程设计

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：陈跃鹏工作单位：武汉理工大学题目:飞行器控制系统设计初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为：)2.361(4500)(ssKsG要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.分别用时域和频域方法设计该系统的控制器。控制系统的时域性能指标为：单位斜坡输入的稳态误差0.000443最大超调量5%上升时间0.005sec调节时间0.008sec控制系统的频域性能指标为：单位斜坡输入的稳态误差0.000443相位裕量大于802.用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标。时间安排：任务时间（天）审题、查阅相关资料2分析、计算2编写程序2撰写报告1论文答辩0.5指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书2摘要:根据被控对象及给定的技术指标要求，涉及自动控制系统，既要保证所设计的系统具有良好的性能，满足给定的指标要求，还有考虑方案的可靠性和经济性，本课程设计是在给定的指标下，分别用时域和频域方法设计该系统的控制器。本文首先从理论的方法分别用时域和频域法求出控制系统的时域性能指标，再用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标，经验证，满足设计要求。关键词:飞行器控制系统时域频域MATLAB武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书3Abstract：Accordingtothecontrolledobjectandgiventhetechnicalindexrequirements,involvingtheautomaticcontrolsystem,whichnotonlyhavetoguaranteethesystemdesignedhasgoodperformance,andmeetgivenindexrequirement,alsoconsideringschemereliabilityandeconomicalefficiency,thiscourseisdesignedinagivenindex,respectivelyfortimedomainandfrequencydomainmethodtodesignthesystemcontroller.Thispaperfromthetheoreticalmethodrespectivelyintimedomainandfrequencydomainmethodforthecontrolsystemofthetime-domainperformanceindex,reoccupyMatlabbeforeandaftercorrectionsystemsimulationanalysisanddrawtheLaplacedomainresponsecurve,calculatesthetime-domainperformanceindicators,theverification,andmeetthedesignrequirements.Keywords:AircraftControlsystemTime-domainFrequencydomainMatlab武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书4目录1设计要求·················································11.1初始条件··············································11.2设计任务··············································12用时域方法设计系统控制器·····························12.1题目分析··············································12.2超调量计算············································22.3稳态误差··············································32.4上升时间··············································32.5调节时间··············································43用频域方法设计系统控制器····························43.1理论分析··············································43.2参数计算··············································44MATLAB仿真分析······································54.1阶跃响应曲线及性能指标·································54.2MATLAB频域分析········································75心得体会···················································10参考文献武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书1飞行器控制系统设计1设计要求1.1初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为：)2.361(4500)(ssKsG1.2设计任务：控制系统的时域性能指标为：单位斜坡输入的稳态误差0.000443最大超调量5%上升时间0.005sec调节时间0.005sec控制系统的频域性能指标为：单位斜坡输入的稳态误差0.000443相位裕量大于802用时域方法设计飞行器控制系统2.1题目分析：已知系统开环传递函数可得：令2n=4500k所以开环传递函数2()(361.2)nGsss稳态误差为201361.20.000443lim()nsessSGsn2=所以，取182k超调量5.012πe69.0又因为2n=361.2①由于0.69，181.6k显然条件①不成立。所以说一定要加入一定的性能改善环节。通过分析，要达到指定的时域性能指标，武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书2需要加入一个测速反馈调节。如图1所示：)(sR)(sE)(sC图1测速反馈控制系统其中kn45002，tk为测速反馈系数开环传递函数2()(361.2)nGsss加入测速反馈后开环传递函数：]1)2/([12)(2nnntnKssKsG即：skssGntnn)2()(222闭环传递函数222()(361.2)ntnnssKs2.2超调量计算当输入为单位阶跃函数时ssssCnntn12)(2222222)()(1)(dntntdntntsssssC对上式取拉氏反变换，求得单位阶跃响应为]sin1[cos1)(2ttethdttdtntsKt)2(2nnss武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书3)sin(111)(2tethnttnt式中，21tndtarccos将阶跃响应函数)(th对t求导，并令其为零，求得ttpdt21)tan(即dpt将上式代入阶跃响应函数，得输出量的最大值)sin(111)(212ttethtp按超调量定义式，求得%100%21tte超调量5.012πe69.0t所以取t=0.7阻尼比12ttnk（361.22*n）②2.3稳态误差稳态误差20(361.2)10.000443lim()tnnsKessSGstn2=③将0.7t代入③式中得到3160.3n取n=3161，得：k=2220.4由式②可解得tk=0.000406752.4上升时间对上式令1)(rth，求得0)sin(112rdttternt武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书4所以上升时间20.0011rntt0.005满足条件2.5调节时间取%5误差带，可得响应调节时间的表达式为调节时间3.50.0016stnt满足条件综上所述，选取的测速反馈调节满足所有指定的性能指标，所以校正之后的开环传递函数为sssG4.44253161)(223用频域方法设计飞行器控制系统3.1理论分析题中要求相角裕度80，可加入串联超前校正来改善系统性能。采用串联超前校正时，整个系统的开环增益要下降，因此需要提高放大器增益加以补偿，所以串联超前校正的传递函数为TsaTssaGc11)(式中微分度系数（1），T叫时间常数。3.2参数计算单位斜坡输入稳态误差KRss12.3614500)2.361(4500lim0ksskKsv000443.045002.361kEss18.181KK取182开环传递函数令1)(cjG（c为截止频率）)2.361(819000)(ssGs武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书5求得sradc870相角裕度23321.2arctan90180c超前网络对频率在aT1至T1之间的输入信号有明显的微分作用，在该频率范围内，输出信号相角比输入信号相角超前，在最大超前角频率m处，具有最大超前角m，且m正好处于频率aT1和T1的几何中心。为补偿角是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频率增大而增加的相角滞后量。未校正系统的开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为decdB/40，故取5。所以有所以最大超前角8023562m11arcsinaam所以a=16'm根据12lg102.361182*4500lg2022''acc解得00014.01'aTc所以加入校正为：ssTsaTssG00014.0100224.0111)(所以加入校正后：sssssG00014.0100224.01)2.361(819000)(4MATLAB仿真分析4.1阶跃响应曲线及性能指标校正后系统开环传递函数为sssG4.44253161)(22MATLAB编程如下：k=2257.857;武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书6num=1;den=conv([1,0],[0.0002261]);sys=tf(k*num,den);lsys=feedback(sys,1,-1);[y,t,x]=step(lsys);plot(t,y);结果如图2所示图2阶跃响应曲线在《MATLAB提示符》后，输入ltiview，启动该图形软件。从File的下拉菜单中选中→import选项选择需要仿真的系统。选择窗口中的Lsys系统，并用鼠标点击OK。在画面中点击鼠标右键，选择“Characteristics”选项，再选择“PeakTime”项可得阶跃响应曲线中的峰值时间为0.00139。在画面中点击鼠标右键，选择“Characteristics”选项，再选择“SettlingTime”、“RiseTime”、“SteadyState”选项可得阶跃响应曲线中的调节时间为0.00189，上升时间为0.000643,稳态值为1（稳态误差为0）。结果如图3所示：武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书7图3阶跃响应曲线性能指标4.2MATLAB频域分析未校正前的开环传递函数为)2.361(4500)(ssKsGMATLAB编程