自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的

通過課程設(shè)計(jì)，掌握自動(dòng)控制理論基本原理、一般電學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)控制方法的基礎(chǔ)上，用MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。二、設(shè)計(jì)要求

收集和查閱有關(guān)技術(shù)資料，獨(dú)立完成所承擔(dān)的設(shè)計(jì)課題的全部?jī)?nèi)容，初步掌握設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用；對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和分析；繪制設(shè)計(jì)圖；撰寫說明書。具體要求如下：1.根據(jù)所學(xué)的控制理論知識(shí)（頻率法、根軌跡法等）進(jìn)行人工設(shè)計(jì)校正裝置，初步設(shè)計(jì)出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)；2.在MATLAB下，用simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在計(jì)算機(jī)上對(duì)人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；3.確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)（選作）；4.完成設(shè)計(jì)報(bào)告。三設(shè)計(jì)任務(wù)燃?xì)庹{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)已知為單位反饋控制系統(tǒng)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為，用根軌跡法設(shè)計(jì)超前校正裝置，是系統(tǒng)滿足最大超調(diào)量,調(diào)整時(shí)間。四設(shè)計(jì)原理概述1、何謂校正為何校正所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，是系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化。校正的目的是為了在調(diào)整發(fā)大器增益后仍然不能全面滿足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)的情況下，通過加入的校正裝置，是系統(tǒng)性能全面滿足設(shè)計(jì)要求。2、超前校正的原理無源超前網(wǎng)絡(luò)的電路如圖1所示。圖1無源超前網(wǎng)絡(luò)電路圖如果輸入信號(hào)源的內(nèi)阻為零，且輸出端的負(fù)載阻抗無窮大，則超前網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可寫為（2—1）式中,通常為分度系數(shù)，T叫時(shí)間常數(shù)，由式（2-1）可知，采用無源超前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)增益要下降倍，因此需要提高放大器增益交易補(bǔ)償。根據(jù)式（2-1），可以得無源超前網(wǎng)絡(luò)的對(duì)數(shù)頻率特性，超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率在1/T至1/T之間的輸入信號(hào)有明顯的微分作用，在該頻率范圍內(nèi)，輸出信號(hào)相角比輸入信號(hào)相角超前，超前網(wǎng)絡(luò)的名稱由此而得。在最大超前交頻率處，具有最大超前角。超前網(wǎng)路（2-1）的相角為（2-2）將上式對(duì)求導(dǎo)并令其為零，得最大超前角頻率（2-3）將上式代入（2-2），得最大超前角頻率（2-4）同時(shí)還易知僅與衰減因子有關(guān)。值越大，超前網(wǎng)絡(luò)的微分效應(yīng)越強(qiáng)。但的最大值受到超前網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)的制約，通常取為20左右（這就意味著超前網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生的最大相位超前大約為65度）如果要得大于的相位超前角，可用兩個(gè)超前校正網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，并在串聯(lián)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間加一個(gè)隔離放大器，以消除它們之間的負(fù)載效應(yīng)。利用超前網(wǎng)絡(luò)或PD控制器進(jìn)行串聯(lián)校正的基本原理，是利用超前網(wǎng)絡(luò)或PD控制器的相角超前特性。只要正確地將超前網(wǎng)絡(luò)的交接頻率1/T或1/T選在待校正系統(tǒng)截止頻率的兩旁，并適當(dāng)選擇參數(shù)和T，就可以使已校正系統(tǒng)的截止頻率和相角裕度滿足性能指標(biāo)的要求，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。使校正后系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：低頻段的增益滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求；中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性的斜率為-20db/dec，并具有較寬的頻帶，使系統(tǒng)具有滿意的動(dòng)態(tài)性能；高頻段要求幅值迅速衰減，以減少噪聲的影響。3、超前校正在根軌跡中的應(yīng)用方法。用根軌跡法設(shè)計(jì)超前校正裝置的步驟為：根據(jù)要求的性能指標(biāo)，確定希望主導(dǎo)極點(diǎn)的位置。繪制原系統(tǒng)的根軌跡，如果根軌跡不能通過希望的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)，則表明僅調(diào)整增益不能滿足給定要求，需加校正裝置；如果原系統(tǒng)根軌跡位于期望極點(diǎn)的右側(cè)，則應(yīng)串入超前校正裝置；計(jì)算超前校正裝置應(yīng)提供的超前相角；求校正裝置的零、極點(diǎn)位置；由幅值條件確定校正后系統(tǒng)增益；檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如果系統(tǒng)不能滿足要求指標(biāo)，適當(dāng)調(diào)整零、極點(diǎn)；如果需要大的靜態(tài)誤差系數(shù)，則應(yīng)采用其它方案。五設(shè)計(jì)過程1、初始狀態(tài)的分析確定期望極點(diǎn)：根據(jù)，（取5%的誤差帶），根據(jù)題中要求條件，由分析計(jì)算得，取，又根據(jù)要求條件經(jīng)計(jì)算得：。根據(jù)根軌跡法則，經(jīng)計(jì)算，求得S復(fù)平面上期望極點(diǎn)的位置：又待校正的開環(huán)傳遞函數(shù)為：上式為最小相位系統(tǒng)，用手畫出原系統(tǒng)的根軌跡圖圖2校正前系統(tǒng)的根軌跡由以上過程可以看到原系統(tǒng)根軌跡需要加以校正，可在系統(tǒng)的前向通道中串入超前校正裝置，校正裝置的確定應(yīng)使串入超前校正裝置后的根軌跡通過希望的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。2、校正裝置參數(shù)的選擇和計(jì)算求校正裝置的傳遞函數(shù)：根據(jù)前面的分析，運(yùn)用MATLAB計(jì)算校正的傳遞函數(shù)。計(jì)算程序如下：>>s1=-6.0001+15.6492i;>>ng=1;dg=[120750];>>ngv=polyval(ng,s1);dgv=polyval(dg,s1);>>g=ngv/dgv;zeta=angle(g);>>ifzeta>0;phic=pi-zeta;end;>>ifzeta<0;phic=-zeta;end;>>phi=angle(s1);zetaz=(phi+phic)/2;zetap=(phi-phic)/2;>>zc=real(s1)-imag(s1)/tan(zetaz);>>pc=real(s1)-imag(s1)/tan(zetap);>>nc=[1-zc];dc=[1-pc];>>nv=polyval(nc,s1);dv=polyval(dc,s1);kv=nv/dv;>>kc=abs(1/(g*kv));>>ifzeta<0;kc=-kc;end;>>kc>>Gc=tf(nc,dc)通過在MATLAB中運(yùn)行以上程序，可以得到校正器的傳遞函數(shù)為:kc=2.06995e+004Transferfunction:S+0.06531……….S+73.12即校正器傳遞函數(shù)為：校正后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：3、校正后的驗(yàn)證根據(jù)校正后的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，我們運(yùn)用MATLAB可以得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線以及其性能指標(biāo)。其程序如下：>>globalyt;>>s2=tf([13.841],[173.12]);>>s1=tf(20699.5,[120750]);>>sope=s1*s2;sys=feedback(sope,1);>>step(sys)>>[y,t]=step(sys);>>[sigma,tp,ts]=ste(y,t)運(yùn)行該程序，可得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如下圖3所示。-圖3系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線并有系統(tǒng)性能指標(biāo)。超調(diào)量：sigma=0.2489峰值時(shí)間：tp=0.2209調(diào)節(jié)時(shí)間：ts=0.3037即校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)是：調(diào)節(jié)時(shí)間ts=0.3037<0.5s,超調(diào)量=24.89%<30%。因此，階躍響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間均已滿足題目要求。4、校正對(duì)系統(tǒng)性能改變的分析由以上知校正前和校正后系統(tǒng)的區(qū)別如下：1）加入校正裝置后，校正后系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大大的減小，大大提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。2）校正后系統(tǒng)系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減少了，阻尼比增大，動(dòng)態(tài)性能得到改善。3）校正后系統(tǒng)的上升時(shí)間減小很多，從而提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。綜上，串入超前校正裝置后，明顯地提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5、對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真通過對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證校正物理可行性，其仿真裝置如圖：

圖4校正方框圖校正前校正后系統(tǒng)的單位階躍仿真曲線如在。原系統(tǒng)仿真結(jié)果：圖5校正后系統(tǒng)仿真結(jié)果：圖6心得體會(huì)在很多人眼中為期兩周的課程設(shè)計(jì)是一種煎熬，確實(shí)，課設(shè)和我們習(xí)慣的單純的看書做題目不一樣，它更考驗(yàn)我們對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。通過這次自控的課程設(shè)計(jì)中我可謂受益匪淺。首先當(dāng)然是對(duì)于課本知識(shí)的再學(xué)習(xí)和更深刻的理解，和做題目不一樣，在做課設(shè)時(shí)需要全方面的考慮問題，而不是單純的算出一個(gè)結(jié)果，特別是對(duì)與校正系統(tǒng)，在試取值時(shí)需要耐心的驗(yàn)算，在校正后還需要前后的對(duì)比分析，我這次在校正時(shí)剛開始就沒能取到合適的值，但是在重新取值后最終還是滿足了要求。雖說這個(gè)過程并不算是多么的漫長(zhǎng)或艱難，但是這種經(jīng)歷確實(shí)能讓我們養(yǎng)成一種不斷探索的科學(xué)研究精神，我想對(duì)于工學(xué)學(xué)生這個(gè)是很重要的。這次課設(shè)對(duì)我的另一大考驗(yàn)就是MATLAB的應(yīng)用，雖說之前上過基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練課，但是并沒有具體到在自控上的應(yīng)用，所以自己查資料是必須的，對(duì)于工科學(xué)生來說查資料也是必備的能力，有些問題在不會(huì)時(shí)看上去很可怕，但是在看過資料后才發(fā)現(xiàn)也沒有想象的那么難，這次課設(shè)中用到的MATLAB就比我之前想的要容易，我想之搞課設(shè)很大的一方面原因也是為了提高我們的自學(xué)意識(shí)和自學(xué)能力，通過這次課設(shè)，我在查資料的能力上也確實(shí)得到了提高，除開圖書館，上網(wǎng)搜索也的確是不錯(cuò)的選擇。不少人抱怨在大學(xué)學(xué)不到東西，我并不這樣認(rèn)為。我想無論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是課設(shè)給我知識(shí)之外的一