自动控制原理课程设计报告

成绩：自动控制原理课程设计报告学生姓名：黄国盛班级：工化144学号：201421714406指导老师：刘芹设计时间：2016.11.28-2016.12.2目录1.设计任务与要求.......................................................................12.设计方法及步骤.......................................................................12.1系统的开环增益..............................................................12.2校正前的系统..................................................................12.2.1校正前系统的Bode图和阶跃响应曲线..............12.2.2MATLAB程序..........................................................23.3校正方案选择和设计......................................................33.3.1校正方案选择及结构图.........................................33.3.2校正装置参数计算.................................................33.3.3MATLAB程序.........................................................................................43.4校正后的系统..................................................................43.4.1校正后系统的Bode图和阶跃响应曲线..............43.4.2MATLAB程序.........................................................................................63.5系统模拟电路图..............................................................63.5.1未校正系统模拟电路图.........................................63.5.2校正后系统模拟电路图.........................................73.5.3校正前、后系统阶跃响应曲线.............................84.课程设计小结和心得...............................................................95.参考文献.................................................................................1011.设计任务与要求题目2：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数00.51KGsss用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。任务：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性能指标：（1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差0.05sserad；（2）系统校正后，相位裕量45。（3）截止频率6/crads。2.设计方法及步骤2.1系统的开环增益由稳态误差要求得：20K，取20K；得sG1s5.0201)s(0.5s20)s(202.2校正前的系统2.2.1校正前系统的Bode图和阶跃响应曲线图2.2.1-1校正前系统的Bode图2图2.2.1-2校正前系统的Bode图图2.2.1-3校正前系统的阶跃响应曲线2.2.2Matlab程序（1）校正前系统的Bode图实现程序代码如下：G=tf(20,[0.510]);margin(G);（2）校正前系统的阶跃响应图实现程序代码如下：G=tf(20,[0.510]);step(feedback(G,1));33.3校正方案选择和设计3.3.1校正方案选择及结构图由图2.2.1-2校正前系统的bode图。确定截止频率和相角裕度：17.60c180因为456*0*0cc，考虑滞后校正。而用迟后校正在*c处系统又没有足够的相角贮备量，即51618)(180)(**0*0ccjG故采用“滞后—超前”校正。校正结构图如下：图3.3.1校正结构图3.3.2校正装置参数计算选择校正后系统的截止频率6'*c，超前部分应提供的最大超前角为33618456)(**ccm则84177.139211.339211.3sin1sin1aamm，在c=6处作垂线，与)(0L交于点A,确定A关于dB0线的镜像点B；以点B为中心作斜率为decdB/20的直线，分别与过sradacC/05062.11684177.1*两条垂直线交于点C和点D，则C点频率：sradacC/05062.11684177.1*D点频率：sradacD/257735.384177.16从点C向右作水平射线，从点D向左作水平射线，在过D点的水平线上确定cE1.0的点E；过点E作斜率为decdB/20的直线交dB0线于点F，相应频率为F，则E点频率：sradcE/6.061.01.0*sradacD/257735.384177.16)1)(1()1)(1s()s(4231sTsTsTTGC1)s(0.5s20R(t)C(t)4DC延长线与dB0线交点处的频率sradcc/344816.6617.62200F点频率：sradEDF/308069.0344816.66.0257735.30故可写出校正装置传递函数105062.111257735.31308069.016.01111)s(ssssssssGCDFEC以下进行验算。校正后系统开环传递函数为)105062.11)(1308069.0(1)s(0.5s)1257735.3)(16.0(20)s()s()s(0ssssGGGC)1336519.3(0.293743s1)s(0.5s1)1.973629ss511603.0(20)1s)(0.09049316s1)(3.24602s(0.5s)1s)(0.3069621(1.666667s2022s3.3.3MATLAB程序：校正环节的传递函数实现程序代码如下：Gc=tf([0.5116031.9736291],[0.2937433.3365191]);3.4校正后的系统3.4.1校正后系统的Bode图和阶跃响应曲线5图3.4.1-1校正后系统Bode图图3.4.1-2校正后系统Bode图6图3.4.1-3校正后系统阶跃响应曲线校正后系统的截止频率、相位裕度为*/6ccsrad4549)(180cjG=*设计要求全部满足。3.4.2MATLAB程序（1）校正后系统Bode图实现程序代码如下：G=tf(20,[0.510]);Gc=tf([0.5116031.9736291],[0.2937433.3365191]);sys=G*Gc;margin(sys);（2）校正后系统阶跃响应图实现程序代码如下：G=tf(20,[0.510]);Gc=tf([0.5116031.9736291],[0.2937433.3365191]);sys=G*Gc;step(feedback(sys,1));73.5系统模拟电路图3.5.1未校正系统模拟电路图图3.5.1未校正系统模拟电路图3.5.2校正后系统模拟电路图图3.5.2校正后系统模拟电路图83.5.3校正前、后系统阶跃响应曲线：图3.5.3-1MATLAB系统校正前、后系统阶跃响应曲线图3.5.3-2MULTISIM系统校正前、后系统阶跃响应曲线94.课程设计小结和心得Ⅰ课程设计总结校正方法选择遇到的问题：1、若直接选择超前校正，实现代码和过程如下：G=tf(20,[0.510]);margin(G);%校正前Bode图wc1=8.3;[m,p,w]=bode(G);%该句分别返回频域响应幅值向量m、相角向量p和频率向量wM1=spline(w,m,wc1);%spline为三次曲线插值函数，该句作为通过插值求函数m(w)a=M1^(-2);%的取值，其中w=wc1T=1/(wc1*sqrt(a));%求a、T的值Gc=tf([a*T1],[T1])Transferfunction:%程序输出0.2135s+1------------0.068s+1%MATLAB求得超前校正传函为（0.2135s+1）/（0.068s+1）sys=G*Gc;margin(sys);%校正后Bode图为使相位裕度达到45以上，截至频率至少要调到8.3rad/s，比设计要求6rad/s大很多。2、若直接采用滞后校正，实现代码及过程如下：G=tf(20,[0.510]);margin(G);%校正前Bode图mama=45;phy1=-180+mama+6;[m,p,w]=bode(G);wc1=spline(p,w,phy1);%利用未校正系统的Bode图求校正后系统期望的截止频率wc1M1=spline(p,m,phy1);b=1/M1;T=10/(b*wc1);Gc=tf([b*T1],[T1])sys=G*Gc;margin(sys);%校正后Bode图Transferfunction:6.174s+1-----------59.26s+1%MATLAB求得滞后校正传函为（6.174s+1）/（59.26s+1）校正后截止频率比设计要求小很多。也不符合要求。3、在模拟电路的设计中发现校正后电路阶跃响应在多次测试中不一致，最终确认为校正的一阶微分环节电阻过大导致系统不稳定。为保证调节时间不变，将对应电容调大十倍，电阻降低到十分之一。4、校正后的系统模拟电路阶跃响应稳定电压偏小，最终确认是误把补偿电阻都设置为100k,遗漏了补偿电阻的计算和调整。重新计算和调整补偿电阻使阶跃响应正常。105、在MULTISIM中模拟阶跃输入使不能用函数发生器的1V方波或者1V电源加开关等，只能用脉冲信号模拟，将脉冲频率调到0.05Hz左右可看的系统的阶跃响应曲线。Ⅱ课程设计心得1、通过本次自动控制原理课程设计，对超前、滞后、滞后-超前三种频域校正方法进行理解和实践。学会对系统进行频域下的分析及如何确定校正方案。频域法所加网络不影响系统的稳态精度，而且能改善系统的动态性能，利用频域法设计校正装置时，要将时域性能指标转化到频域，根据相角裕量以及幅值裕量来设计系统的校正网络。2、此次课程设计使用了MATLABR2007b软件，使我们掌握了MATLAB在自动控制系统方面的应用。通过查阅相关书籍，学习了MATLAB自动控制系统模型建立和仿真的实现代码。对MATLAB的强大功能有了更进一步的了解。3、在此期间确实学习到了很多的知识和技能。加强了我们动手、思考和解决问题的能力。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识点多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个原理，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程