自动控制原理课程设计

1、 指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学移 通 学 院自动控制原理课程设计报告 系 部： 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 设计时间： 2013 年 12月 自动控制原理课程设计（简明）任务书 引言：自动控制原理课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。一、 设计题目：型二阶系统的典型分析与综合设计二、 系统说明：该型系统物理模拟结构如下图所示。 其中：R11M；C1=1uF；R21

2、M； C2=0.2uF； Rf为线性滑动电位器，可调范围为：10-4R110-1R1 。 设计过程中可忽略各种干扰，比如：运算放大器的零点漂移，环节间的负载效应，外界强力电力设备产生的电磁干扰等。三、 系统参量：系统输入信号：x(t)；系统输出信号：y(t)。四、 设计指标：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足以下动态及静态性能指标：（1） 在单位斜坡信号x(t)=t作用下，系统的稳态误差Kv100；（2） 开环截止频率；（3） 相位裕度 ；五、 基本要求： 建立系统数学模型传递函数；u 利用频率特性法分析系统：+(1) 根据要求的稳态品质指标，求系统的开环增益值；(2)

3、根据求得的值，画出校正前系统的Bode图，并计算出幅值穿越频率、相位裕量,以检验性能指标是否满足要求。若不满足要求，则进行系统校正。u 利用频域特性法综合系统：画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（超前、滞后和滞后-超前校正）；(1) 确定校正装置传递函数的参数；(2) 画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能指标。若不满足，则重新确定校正装置的参数。u 完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验：实现校正前、后系统，并得到校正前后系统的阶跃响应。六、 课程设计报告：u 报告内容（包括课程设计的主要内容、基本原理以及课程设计过程中参数的计算过程和分析过程）；(1) 课程设计计算说明

4、书一份；(2) 原系统组成结构原理图一张（自绘）；(3) 系统分析，综合用精确Bode图各一张；(3) 系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）。u 总结（包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程设计的认识等内容）；u 提供参考资料及文献；u 排版格式完整、报告语句通顺、封面装帧成册。- 15 -目录自动控制原理课程设计（简明）任务书I摘要IV第一章 系统概述- 1 -1.1 设计目的- 1 -1.2 系统原理（简介）- 1 -1.3 各环节的性能、功能特性说明- 1 -1.4 设计要求- 2 -1.5 设计指标- 2 -第二章 系统建模- 3 -2.1 各环节模型- 3 -2.2 系

5、统的模型- 4 -第三章 系统分析- 5 -3.1 原系统频域特性曲线- 5 -3.2 稳定性分析- 7 -3.3 稳态精度分析- 7 -3.4 动态性能分析- 7 -第四章 系统综合设计- 8 -4.1 设计校正规律和校正装置- 8 -第五章 系统物理模拟- 11 -5.1原系统模拟图- 11 -5.2综合后系统模拟图- 11 -第六章 结束语- 13 -参考文献- 14 -摘要根据被控对象及给定的技术指标要求，设计自动控制系统，既要保证所设计的系统有良好的性能，满足给定技术指标的要求，还要考虑方案的可靠性和经济性。由系统物理结构图建立数学模型，通过对系统稳态和动态性能的分析，对其不满足给定

6、技术指标的采用了串联超前校正。在对系统进行校正时，采用了基于频率特性的串联超前校正，对系统校正前后的性能进行了分析和比较，并用Microsoft Visio软件绘制系统物理模拟图和结构框图，以及用MATLAB软件进行仿真和计算。确定了校正环节的传递函数，根据所确定的传递函数，计算物理模拟图的参数，最后确定了系统的物理模拟图。关键字：频率法；串联超前校正；MALTAB仿真引 言“自动控制原理”是信息控制学科的基础理论，是一门理论性较强的工程科学，是研究与讨论控制系统的一般规律，从而设计出合理的自动控制系统，满足工农业生产和各种工程需要。描述控制系统特性的方法有时域响应、根轨迹图、频率特性等。自动

7、控制技术不仅广泛运用与工业控制中，而且在军事、农业、航空、航海、核能利用等领域也发挥着重要的作用。例如在工业控制中，对压力、温度、流量、湿度、配料比等的控制，都广泛采用了自动控技术。对于高温、高压、剧毒、等对人体健康危害很大的场合，自动控制更是必不可少的。在军事和空间技术方面，如宇宙飞船准确地飞行和返回地面、人造卫星按预定轨道飞行、导弹准确地击中目标等，自动控制更具有十分重要的意义。 在系统分析的基础上将原有系统的特性加以修正与改造，利用校正装置使得系统能够实现给定的性能要求，这样的工程方法，我们称为系统的校正。经典控制理论中的系统校正研究所用的方法主要有根轨迹法和频率法，两种方法可以自成体系

8、独立进行，也可以互为补充。主要根据被控对象及给定的技术指标要求，设计自动控制系统。既要保证所设计的系统有良好的性能，满足给定技术指标的要求，还要考虑方案的可靠性和经济性。由系统物理结构图建立数学模型，通过对系统稳态和动态性能的分析，其均不满足给定技术指标，采用校正装置对系统进行校正使稳定性得到改善。第一章 系统概述1.1 设计目的（1）掌握自动控制原理课程中所学的理论知识；（2）掌握反馈系统的基本理论和方法，对工程实际系统进行全面分析和综合；（3）掌握控制系统的设计和校正方法；（4）掌握利用MATLAB对控制理论进行分析，研究和仿真技能；1.2 系统原理（简介）系统通过比例环节，存在积分环节，

9、惯性环节实现型二阶系统二阶系统物理模拟结构图： Rf1uFC10.2uFC2100K 100K 510K 510K 510K 1MR21MR1 OP1 OP3 OP2 x(t)y(t)1MR1图1.1 物理模拟结构图1.3 各环节的性能、功能特性说明（1）比例环节比例环节的输出不失真、不延迟、成比例的复现输入信号的变化，即信号的传递没有惯性。（2）积分环节输出量与输入量成积分关系的环节，称为积分环节。其特点：输出量与输入量的积分成正比例，当输入消失，输出保持不变，具有记忆功能；积分环节受到扰动自身无法达到稳定。（3）惯性环节一阶惯性环节的微分方程是一阶的，且输出响应需要一定时间后才能达到稳态值

10、，因此称为一阶惯性环节。其特点：输出信号对输入信号的响应存在惯性（输入信号阶跃加入后，输出信号不能突然变化，只能随时间增加逐渐变化）。1.4 设计要求(1）要求输出等于给定输入所要求的期望输出值。（2）要求输出尽量不受扰动的影响。（3）衡量一个系统是否完成以上两点，把要求划为三大性能指标来评价：稳、快、准。1.5 设计指标 用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足以下动态及静态性能指标：（1） 在单位斜坡信号x(t)=t作用下，系统的稳态误差Kv100；（2） 开环截止频率；（3） 相位裕度；第二章 系统建模2.1 各环节模型2.1.1 积分环节 图2.1 方块图 图2.2 模

11、拟电路图中：Ti=R1C1Ga=CSRS=-1C1R1S=-1S2.1.2 惯性环节 图2.2 方块图 图2.3 模拟电路图中：Kp=R2Rf；T=R2C2则Gb=CsRs=-1R2C2s+1R2Rf=106Rf10.2s+1Rf=10-4R110-1R1 又Kp=R2Rf故Gb=-Kp0.2S+12.1.3比例环节 图2.4方块图 图2.5 模拟电路 图中：Kp=-100100=-1 则2.2 系统的模型2.2.1系统的框图结构 _ 图2.6系统框图2.2.2 简化框图 1) 化简为单位负反馈 _ 图2.7化简框图2) 系统的开环传递函数 Kv100; Rf=10-410-1R1取 Rf=0

12、.005R1; 则K=R2Rf=200 Gos=200s0.2s+1第三章 系统分析3.1原系统频域特性曲线用MATLAB画出系统伯德图，程序为：未校正系统频域特性曲线： 图3.1校正前的系统Bode图图3.2 校正前的系统单位阶跃响应图3.3 系统校正前NyquiSt图3.2 稳定性分析系统的闭环特征方程为:0.2s2+s+200=0作劳斯表：s2 0.2 200s1 1 0s0 2003.3 稳态精度分析eSS=1Kv=0.0053.4 动态性能分析解：GoS=200s0.2s+1 A=200c00.2c02+1=1c0=31>30满足给的要求c0=180°+31 =180

13、°- 90°-arctan0.2×31=9.2°<20°小于要求，且穿越斜率为-2，所以可以采用相位超前校正。第四章 系统综合设计4.1 设计校正规律和校正装置计算最大相位超前角：m=rc-rc0+（5°20°）=20°-9.2°+14.2°=25°计算低频衰减率：=1-Sinm1+Sinm=1-Sin25°1+Sin25°=0.41确定新的开环截止频率：L0c|c=31=-1220lg1=-3.87dB确定转折频率：1=1T=c=19.82=1T=1c=48

14、.4串联增益补偿：Kc=1=2.46校正后的开环频率特性：L=L0+LcGS=G0SGcS =Kc1+0.05s1+0.02s200s0.2s+1=1+0.05s1+0.02s200s0.2s+1校正计算：A=2000.05c2+1c0.2c2+10.02c2+1=1 得 c=42>30c=180°+m=180°+arctan0.04c-arctan0.02c-90°-arctan0.2c =26°>20° 满足给定条件4.2 系统综合后的Bode图图4.1 校正后的系统bode图图4.2 校正后的系统单位阶跃响应图4.3系统超前校

15、正后NyquiSt图第五章 系统物理模拟5.1原系统模拟图 Rf1uFC10.2uFC2100K 100K 510K 510K 510K 1MR21MR1 OP1 OP3 OP2 x(t)y(t)1MR1图5.1原系统物理模拟5.2综合后系统模拟图 T2=R4C=0.02 (1)T1=R2 R3R2 +R3+R4C=0.05 (2)K=R2 +R3R1=1 (3)解得R2 =R3=0.5M，R4=0.17M，C=0.12F1MR00.5MR21MR00.17MR40.5MR31MR1510K510KOP1OP2PO30.2uFC20.12uFC31uFC1Rf1MR2510KY(t)x(t)图

16、5.2 综合后的模拟图第六章 结束语这次课程设计终于在这几天完成，与此同时，我要非常的感谢老师在百忙之中抽出时间来辅导我们。在很多人眼中课程设计是一种煎熬，确实课设和我们习惯的单纯的看书做题目不一样，它更考验我们对知识的理解和应用。通过这次自控的课程设计中我可谓受益匪浅。首先当然是对于课本知识的再学习和更深刻的理解，和做题目不一样，在做课设时需要全方面的考虑问题，而不是单纯的算出一个结果，特别是对与校正系统，在试取值时需要耐心的验算，在校正后还需要前后的对比分析，对于自动控制原理的相关知识，我重新翻看好几遍教材，特别是第六章作了详细地了解。我这次在校正时刚开始就没能取到合适的值，但是在重新取值

17、后最终还是满足了要求。虽说这个过程并不算是多么的漫长或艰难，但是这种经历确实能让我们养成一种不断探索的科学研究精神，我想对于工学学生这个是很重要的。这次课设对我的另一大考验就是MATLAB的应用，虽说之前没有学过这门课，所以只有自己查资料，对于工科学生来说查资料也是必备的能力，有些问题在不会时看上去很可怕，但是在看过资料后才发现也没有想象的那么难，这次课设中用到的MATLAB就比我之前想的要容易，我想搞课设很大的一方面原因也是为了提高我们的自学意识和自学能力，通过这次课设，我获益匪浅。不但对自动控制原理的知识巩固了，而且还对MATLAB 这个强大软件有了进一步的了解。参考文献1 孙亮等自动控制原理 M北京工业大学出版社201