自動控制原理課程設(shè)計題目：水箱流量控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計系別專業(yè)班級學號學生姓名指導教師提交日期一、設(shè)計目的首先，通過對水箱流量控制系統(tǒng)的分析，加強對水箱流量控制系統(tǒng)的認識，并掌握超前校正網(wǎng)絡設(shè)計的方法。其次，通過課程設(shè)計，培養(yǎng)分析問題解決問題的能力。此外，使用Matlab軟件進行系統(tǒng)仿真，從而進一步掌握Matlab的使用。二、設(shè)計任務及要求初始條件：已知單位反饋水箱流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G要求：試用Bode圖設(shè)計法對系統(tǒng)進行超前串聯(lián)校正設(shè)計，使系統(tǒng)滿足：系統(tǒng)在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差e系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量40三、設(shè)計任務分析雖然在頻域內(nèi)進行系統(tǒng)設(shè)計，是一種間接的設(shè)計方法，因為設(shè)計結(jié)果滿足的是一些頻域指標，而不是時域指標。然而，在頻域內(nèi)設(shè)計又是一種簡便的方法，在Bode圖上雖不能嚴格定量地給出系統(tǒng)的動態(tài)特性，但卻能方便的根據(jù)頻域指標確定校正裝置的參數(shù)，特別是對以校正系統(tǒng)的高頻特性有要求時，采用頻域法校正較其他方法更為方便。一般來說，開環(huán)頻率特性的低頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；開環(huán)頻率特性的中頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能；開環(huán)頻率特性的高頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的復雜性和噪音抑制功能。因此，用頻域法設(shè)計控制系統(tǒng)的實質(zhì)，就是在系統(tǒng)中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，使開環(huán)系統(tǒng)的頻率形狀變成所期望的形狀：低頻段要有一定的高度和斜率；中頻段的斜率最好為-20四、設(shè)計內(nèi)容4.1根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益K由要求（1）：系統(tǒng)在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差esseK得K≥1000，取K=1000。4.2繪制k=1000值下的系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量γ待校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G作出K=1000時未校正系統(tǒng)的Bode圖，其漸近線如圖1所示L60-20dB/dec300-40dB/dec-30-60-60dB/dec100100102φ(ω)0-90°-180-270-36010-410°101102圖1：未校正系統(tǒng)的Bode圖計算未校正系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率ω相應的相角裕量為γ=90=相角裕度小的原因，是因為待校正系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性中頻區(qū)的斜率是-40dBdec，系統(tǒng)的動態(tài)特性會有嚴重的振蕩，需要校正裝置校正。4.3確定為使系統(tǒng)的相角裕量達到要求值，所需增加的超前相角φcφ式中，γ為要求的相角裕量；ε是因為考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量，未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec，故取εφ4.4令超前校正網(wǎng)絡的最大超前相角φm=α=校正后系統(tǒng)剪切頻率ωc2=ωm處，校正網(wǎng)絡的對數(shù)幅值-20lgα=8.76dB-8.76-0=-40lgω4.5計算校正網(wǎng)絡的兩個轉(zhuǎn)折頻率ωω4.6寫出校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為補償超前校正網(wǎng)絡造成的幅值衰減，附加一個放大器KcG做出校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和Bode圖，如圖2所示校正裝置被控對象R(s)Y(s) _ 0.0166s+10.0022s+11000s0.1s+1(0.001s+1)圖2：校正后系統(tǒng)的Bode圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.7檢驗系統(tǒng)的特性校正后的相角裕量為：γ==由于40校正后系統(tǒng)的性能指標滿足要求。由Matlab畫出校正后的Bode，可以得到穩(wěn)定性裕量的精確值ωc=164rad4.8在Simulink仿真環(huán)境下對校正后的系統(tǒng)進行仿真，并與校正前比較加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型如圖3所示。其中校正前和校正后的單位階躍響應曲線如圖4、5所示。圖3：加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型圖4：校正前的系統(tǒng)單位階躍響應曲線圖5：校正后的系統(tǒng)單位階躍響應曲線通過仿真曲線可以看出，校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，單位階躍響應振蕩劇烈。而校正后系統(tǒng)的單位階躍響應，其時域指標性能指標無論是超調(diào)量還是過渡過程時間都較小，故該校正裝置能夠很好的達到設(shè)計要求，可以取用。五、設(shè)計總結(jié)本次設(shè)計表明，系統(tǒng)經(jīng)串聯(lián)校正后，中頻段對數(shù)幅頻特性斜率為，并具有足夠的寬度，從而系統(tǒng)的相角裕量增大，動態(tài)過程超調(diào)量下降。因此，在實際運行的控制系統(tǒng)中，其中頻段對數(shù)幅頻特性大多具有的斜率。此次設(shè)計還讓我了解了自動控制原理中校正系統(tǒng)的基本概念及其對系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)應用，通過對初步知識的了解，對校正系統(tǒng)各種方案的比較，進一步了解了校正系統(tǒng)的合理性和實用性。什么樣的課程設(shè)計都離不開理論與實際相結(jié)合的真理，設(shè)計過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定使我進一步深刻認識到自控原理中校正環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)的重要作用。一個細小的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)偏差，可能導致最后的性能指標不和標準。所以選擇一個優(yōu)良的方案對于實驗至關(guān)重要。

我認為，在設(shè)計時應該怎樣少走一些彎路，怎樣能夠非常透徹的理解系統(tǒng)并用簡單方法設(shè)計校正裝置，我想這是這次課程設(shè)計最鍛煉人的地方。然而這也要求我們有相當厚實的理論基礎(chǔ)，并能很好地運用到實際中去。這是我們學習和掌握好自控原理最重要的。我們運用Matlab軟件進行系統(tǒng)仿真驗證，這不僅對我們設(shè)計帶來了方便，也能很準確地為我們改動參數(shù)提供依據(jù)，同時也讓我們對Matlab軟件進行了學習，為我們熟練運用Matlab打下了基礎(chǔ)。

這次課程設(shè)計充滿了挑戰(zhàn)，自己掌握的知識是很有限的，但是通過自己的學習和分析，大量的搜索相關(guān)的資料，以及老師同學的幫助，我順利的完成了這次設(shè)計，并且獲得了很大的收獲。通過這次課程設(shè)計，我對自動控制原理的實際應用有了更深的了解。當今世界很多產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入自動化時代，這要求我們更好更多的掌握自動控制的原理和基本知識，將來才能更好的適應這個社會的發(fā)展。通過自己設(shè)計這樣一個比較簡單的水箱流量控制系統(tǒng)的校正裝置，我對簡單的控制系統(tǒng)有了整體的認識和了解，對系統(tǒng)工作的各個環(huán)節(jié)和各種指標分析都有了更深刻的認識。每一次課程設(shè)計都是我們自主學習和能力鍛煉的機會，我很高興自己能夠把握住這樣的機會，在一點一滴中鍛煉自己的毅力和能力。我相信經(jīng)過這次課程設(shè)計，無論是對知識的掌握程度，還是組織