1、PAGE 電子與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計報告課 程 名 稱 自動控制原理 設(shè) 計 題 目 專 業(yè) 名 稱 自動化 班 級 131 學(xué) 號 2013210869 學(xué) 生 姓 名 張志強 指 導(dǎo) 教 師 汪先兵 2015年 12月 9日電氣學(xué)院自動控制原理課程設(shè)計任 務(wù) 書設(shè)計名稱： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時間：自 2015 年 12 月 9 日起 至 2015 年 12 月 22 日止一、課程設(shè)計目的1、通過課程設(shè)計進一步掌握自動控制原理課程的有關(guān)知識，加深對所學(xué)內(nèi)容的理解，提高解決實際問題的能力。2、理解在自動控制系統(tǒng)中對不同的系統(tǒng)選用不同的校正方式，以保證得到最佳的系統(tǒng)。3、理解相角裕度，

2、穩(wěn)態(tài)誤差，剪切頻率等參數(shù)的含義。4、學(xué)習(xí)MATLAB在自動控制中的應(yīng)用，會利用MATLAB提供的函數(shù)求出所需要得到的實驗結(jié)果。5、從總體上把握對系統(tǒng)進行校正的思路，能夠?qū)⒗碚撨\用于實際。二、課程設(shè)計任務(wù)和基本要求設(shè)計任務(wù)：單位負(fù)反饋隨動系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為1、畫出未校正系統(tǒng)的Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定2、畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。3、設(shè)計系統(tǒng)的校正裝置，使系統(tǒng)達到下列指標(biāo)（1）在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差0.001（2）超調(diào)量Mp30%，調(diào)節(jié)時間Ts45, 幅值定裕度Gm20。4、分別畫出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。5、給出校正裝置的傳遞函數(shù)。計算校正

3、后系統(tǒng)的剪切頻率Wcp和穿頻率Wcg。6、給出校正裝置的傳遞函數(shù)?；疽螅?. 能用MATLAB解復(fù)雜的自動控制理論題目。2. 能用MATLAB設(shè)計控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標(biāo)，繪制系統(tǒng)校正前與校正后的Bode圖，計算系統(tǒng)的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越頻率和相位穿越頻率。判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并說明理由。 3. 利用MATLAB作出系統(tǒng)校正前與校正后的單位脈沖響應(yīng)曲線，單位階躍響應(yīng)曲線，單位斜坡響應(yīng)曲線，分析這三種曲線的關(guān)系。求出系統(tǒng)校正前與校正后的動態(tài)性能指標(biāo)%、tr、tp、ts以及穩(wěn)態(tài)誤差的值，并分析 其有何變化。電氣學(xué)院自動控制原理課程設(shè)計指導(dǎo)老師評價表院（部）電氣學(xué)院年級專業(yè)13自動化學(xué)

4、生姓名學(xué)生學(xué)號題 目指導(dǎo)老師評語 成績評定指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日 - PAGE 13 -目錄（目錄應(yīng)包括論文中全部章節(jié)的標(biāo)題及頁碼，含摘要與關(guān)鍵詞、正文章、節(jié)題目、參考文獻、附錄等。目錄題頭用四號黑體字居中排寫，隔行書寫目錄內(nèi)容。） TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc323890276 摘要與關(guān)鍵詞 PAGEREF _Toc323890276 h 1 HYPERLINK l _Toc323890277 1 標(biāo)題（正文第1章標(biāo)題， 小三號黑體，上下間距為：段前0.5行，段后0.5行） PAGEREF _Toc323890277 h 1 HYPERLINK l _

5、Toc323890278 1.1 （正文2級標(biāo)題，四號黑體） PAGEREF _Toc323890278 h 1 HYPERLINK l _Toc323890279 1.1.1 （正文3級標(biāo)題，小四號黑體） PAGEREF _Toc323890279 h 1 HYPERLINK l _Toc323890280 1.1.2 （正文3級標(biāo)題，小四號黑體） PAGEREF _Toc323890280 h 1 HYPERLINK l _Toc323890281 1.2 （正文2級標(biāo)題，四號黑體） PAGEREF _Toc323890281 h 1 HYPERLINK l _Toc323890282 2

6、 標(biāo)題（正文第2章標(biāo)題，要求同上） PAGEREF _Toc323890282 h 1 HYPERLINK l _Toc323890283 2.1 （正文2級標(biāo)題，四號黑體） PAGEREF _Toc323890283 h 2 HYPERLINK l _Toc323890284 2.1.1 （正文3級標(biāo)題，小四號黑體） PAGEREF _Toc323890284 h 2 HYPERLINK l _Toc323890285 2.2 （正文2級標(biāo)題，四號黑體） PAGEREF _Toc323890285 h 2 HYPERLINK l _Toc323890286 3 標(biāo)題（正文第2章標(biāo)題，要求同上

7、） PAGEREF _Toc323890286 h 2 HYPERLINK l _Toc323890287 3.1 （正文2級標(biāo)題，四號黑體） PAGEREF _Toc323890287 h 2 HYPERLINK l _Toc323890288 3.1.1 （正文3級標(biāo)題，小四號黑體） PAGEREF _Toc323890288 h 2 HYPERLINK l _Toc323890289 4 總結(jié)（正文第2章標(biāo)題，要求同上） PAGEREF _Toc323890289 h 2 HYPERLINK l _Toc323890290 參考文獻（四號黑體居左） PAGEREF _Toc3238902

8、90 h 2 HYPERLINK l _Toc323890291 附錄（另起一頁，四號黑體） PAGEREF _Toc323890291 h 2緒 論在控制工程中用得最廣的是電氣校正裝置，它不但可應(yīng)用于電的控制系統(tǒng)，而且通過將非電量信號轉(zhuǎn)換成電量信號，還可應(yīng)用于非電的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計問題常常可以歸結(jié)為設(shè)計適當(dāng)類型和適當(dāng)參數(shù)值的校正裝置。校正裝置可以補償系統(tǒng)不可變動部分（由控制對象、執(zhí)行機構(gòu)和量測部件組成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系統(tǒng)能滿足事先要求的性能指標(biāo)。常用的性能指標(biāo)形式可以是時間域的指標(biāo)，如上升時間、超調(diào)量、過渡過程時間等（見過渡過程），也可以是頻率域的指標(biāo)，如相角裕

9、量、增益裕量（見相對穩(wěn)定性）、諧振峰值、帶寬（見頻率響應(yīng)）等。常用的串聯(lián)校正裝置有超前校正、滯后校正、滯后-超前校正三種類型。在許多情況下,它們都是由電阻、電容按不同方式連接成的一些四端網(wǎng)絡(luò)。各類校正裝置的特性可用它們的傳遞函數(shù)來表示，此外也常采用頻率響應(yīng)的波德圖來表示。不同類型的校正裝置對信號產(chǎn)生不同的校正作用，以滿足不同要求的控制系統(tǒng)在改善特性上的需要。在工業(yè)控制系統(tǒng)如 HYPERLINK /view/3833077.htm t _blank 溫度控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)中，串聯(lián)校正裝置采用有源網(wǎng)絡(luò)的形式，并且制成通用性的調(diào)節(jié)器，稱為PID（比例-積分-微分）調(diào)節(jié)器，它的校正作用與滯后-超前

10、校正裝置類同。關(guān)鍵字：Matlab；串聯(lián)校正；課程設(shè)計1 校正前Bode圖繪制未校正系統(tǒng)Bode圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：確定未校正系統(tǒng)的截止頻率，相角裕度和幅值裕度。在MATLAB指令窗中輸入指令如下：執(zhí)行后得到系統(tǒng)的Bode圖如下：圖1-1 校正前系統(tǒng)Bode圖由圖可知，系統(tǒng)截止頻率=5,72，相角裕度=11.4和幅值裕度=3.52dB。相穩(wěn)定裕度=3.520，顯然閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。2 校正前根軌跡圖2.1 繪制未校正系統(tǒng)的根軌跡圖在MATLAB中輸入指令如下：執(zhí)行后結(jié)果為：圖2-1 校正前系統(tǒng)根軌跡確定分離點坐標(biāo)：圖2-2 校正前根軌跡分離點坐標(biāo)分離點坐標(biāo)d=-2.11；增益K*=0.09

11、62確定與虛軸交點的坐標(biāo)：圖2-3 校正前根軌跡與虛軸的交點與虛軸的交點坐標(biāo)：；。增益K*=1.5校正前系統(tǒng)穩(wěn)定時增益K*的變化范圍是0K*1.5，而題目中要求的開環(huán)增益K*為10，顯然不滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。3 校正系統(tǒng)設(shè)計3.1 校正前單位斜坡響應(yīng)在MATLAB中輸入指令如下：執(zhí)行結(jié)果如下：圖3-1 校正前單位斜坡響應(yīng)3.1.1 確定滯后校正器傳遞函數(shù)的參數(shù)：式中要距較遠(yuǎn)為好。工程上常選擇 根據(jù)題目要求，相位裕度截止頻率為。則取=，=9.5，并編寫之后校正傳遞函數(shù)的MATLAB指令。在MATLAB指令窗中輸入指令如下：執(zhí)行后結(jié)果：即對于校正后系統(tǒng)的滯后校正補償器傳遞函數(shù)為：3.1.2 確定超

12、前校正器傳遞函數(shù)的參數(shù)：在MATLAB指令窗中輸入指令如下：num=500;den=conv(1 0,conv(1 5,1 10);G0=tf(num,den);kg,gamma,wg,wc=margin(G0);kgdb=20*log10(kg);w=0.001:0.001:100;mag,phase=bode(G0,w);disp( );kgdb,wc,gamma,gamma1=45;delta=6;phim=gamma1-gamma+delta;alpha=(1+sin(phim*pi/180)/(1-sin(phim*pi/180);magdb=20*log10(mag);n=find

13、(magdb+10*log10(alpha)=0.0001);wc=n(1);wcc=wc/1000;w3=wcc/sqrt(alpha);w4=sqrt(alpha)*wcc;numc1=1/w3,1;denc1=1/w4,1;Gc1=tf(numc1,denc1)w1=wcc/10,w2=w1/alpha;numc2=1/w1,1;denc2=1/w2,1;Gc2=tf(numc2,denc2);Gc=Gc1*Gc2;G=Gc*G0;Gmc,Pmc,Wcgc,Wcpc=margin(G);Gmcdb=20*log10(Gmc);disp( ),Gc1,disp( ),Gc2,disp(校正

14、裝置傳遞函數(shù)),Gc,disp(校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)),G,disp(校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo) Gmcdb,Wcpc,Pmc,alpha ),Gmcdb,Wcpc,Pmc,alpha,bode(G0,G)執(zhí)行后結(jié)果：Transfer function: 0.254 s + 10.05631 s + 1 w1 = 0.8362 Transfer function: 0.254 s + 10.05631 s + 1 Transfer function:1.196 s + 15.393 s + 1 校正裝置傳遞函數(shù) Transfer function:0.3037 s2 + 1.45 s + 10.3

15、037 s2 + 5.45 s + 1 校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù) Transfer function: 151.9 s2 + 724.9 s + 5000.3037 s5 + 10.01 s4 + 97.93 s3 + 287.5 s2 + 50 s 校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo) Gmcdb,Wcpc,Pmc,alpha ans = 20.4731 2.3835 59.7653 4.5099此時校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：校正前后系統(tǒng)的Bode圖如下：圖3-2 校正前后系統(tǒng)Bode圖由Matlab運行結(jié)果可知，系統(tǒng)截止頻率=2.3835 ，相角裕度=59.7653 和幅值裕度=20.4731 dB。經(jīng)過校正

16、之后系統(tǒng)已達到預(yù)計效果。4 總結(jié)為期一周的自動控制原理課程設(shè)計做完了。通過這次課程設(shè)計，我對控制系統(tǒng)的校正有了更為深入的理解，但收獲最大的還是在做設(shè)計的過程中，對問題的分析和計算有了很大的提高，同時也掌握了不少工程中計算的方法，為以后的設(shè)計奠定了更好的基礎(chǔ)。另外，通過這次課程設(shè)計，我還學(xué)習(xí)了使用MATLAB軟件實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的仿真和分析。本著嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度，用畢業(yè)設(shè)計的論文格式作為標(biāo)準(zhǔn)來寫這篇課程設(shè)計，同時也練習(xí)了對Word文字編輯軟件的操作能力。在剛開始拿到設(shè)計題目的時候，感覺比較困惑，無從入手，難以將課堂上學(xué)習(xí)的東西應(yīng)用到實際的設(shè)計中去。通過認(rèn)真分析和參考一些資料，找到設(shè)計串聯(lián)滯后校正系統(tǒng)的一般方法，再結(jié)合自己的課題對系統(tǒng)進行校正，并對校正后的系統(tǒng)進行Bode圖，Nyquist曲線等等方法的分析，對其閉環(huán)穩(wěn)定性進行分析。在分析的過程中，對分析問題，解決問題的能力有了很大的提高，在設(shè)計中積累了很多經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)了很多自己的不足。作為一名電氣自動專業(yè)