控制系统的滞后校正设计

1、牡丹江师范学院本科学生课程设计指导书题 目 控制系统的滞后校正设计 班 级 11级工业电气 学 号 姓 名 指导教师 王 淑 玉 牡丹江师范学院2013 年11 月 15 日自控原理课程设计指导书课程名称：自动控制原理学时数：2周学分数：开课院、系（部）、教研室： 物理与电子工程学院 电子信息教研室执笔人： 王淑玉编写时间：2013.11.10设计目的学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握自控原理设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。二、设计任务（1） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；（2） 用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能

2、指标；三、设计内容与要求根据设计要求和已知条件，确定主要参数，计算并选取外电路的元件参数。四、 设计资料及有关规定 字体符合要求，正确使用编程五、设计成果要求 设计论文六、物资准备1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料2.到实验室准备器件作好实验准备七、 主要图式、表式电路图、表要规范，符合设计要求八、 时间安排2013.11.1 设计动员，发放设计任务书2013.11.2-2013.11.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2013.11.4-2013.11.10 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书2013.11.11 完成设计，交指导教师审阅2013.11.14 成绩评定九、考核内容

3、与方式考核的内容包括：学习态度；技术水平与实际能力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。十、参考书目1. 田思庆， 梁春英 自动控制理论 中国水利水电出版社 2013 2. 魏克新，王云亮编著. MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.3. 王正林，王胜开编著. MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.4. （美）安德鲁，（美）威廉斯编著. 实用自动控制设计指南.化学工业出版社.5. 黄忠霖编著. 自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.6. 彭雪峰，刘建斌编著. 自动控制原理实践

4、教程.中国水利水电出版社,2006.牡丹江师范学院本科学生课程设计任务书程名称：自控原理课程设计课程设计题目控制系统的滞后校正院、系工学院专业电气工程及其自动化年级2011已知参数和设计要求：a) 计算参数A ,Tb) 用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；学生应完成的工作：1、了解原理，选择元件，计算确定元件参数，利用仿真软件画出相关曲线。2、完成设计报告目前资料收集情况（含指定参考资料）：1. 田思庆 , 梁春英 自动控制理论 中国水利水电出版社 , 2013 2. 魏克新，王云亮编著. MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000

5、.课程设计的工作计划：2013.11.1 设计动员，发放设计任务书2013.11.2-2013.11.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2013.11.4-2013.11.10 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书2013.11.11 完成设计，交指导教师审阅2013.11.14 成绩评定任务下达日期 2013 年11 月 1 日 完成日期 2013 年 11月 14 日指导老师 王淑玉 （签名） 学生 （签名）目 录1.设计要求12.设计原理13.设计分析与计算23.1校正参数B的计算23.2校正参数a、T的计算33.3校正后系统的检验34.仿真程序、结果及结果分析34.1校正前系统的

6、奈奎斯特曲线与伯德图44.2校正后系统的奈奎斯特曲线与伯德图54.3校正前后系统动态性能的比较75.参考文献96.心得体会10滞后校正控制系统设计1.设计要求已知一单位负反馈系统的开环传递函数为 要求控制系统的性能指标为调节时间<5s,单位阶跃输入的稳态误差<0.1,相角裕度大于45度。任务：（1）设计一个滞后校正装置，使系统满足上述性能指标； （2）画出系统在矫正前后的奈奎斯特曲线和伯德图； （3）用Matlab画出校正前后的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标； （4）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matla

7、b源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按教务处标准书写。3. 设计原理对于所给出的系统进行分析可以知道，校正前的系统是稳定的，调节时间与相角裕度两项性能指标都满足设计要求，只有单位阶跃输入的稳态误差过大，需要通过矫正使它由变得小于0.1。对于该系统，由于无差度v=0，可知单位阶跃响应下的稳态误差ess()=。为了减小稳态误差，必须增大稳态位置误差系数Kp。由于Kp=，得知设计的滞后校正装置必须能够使稳态误差系数增大。由于滞后校正装置的传递函数 a<1，它的幅频特征曲线如图一所示。串联进前向通道后能够降低系统的截止频率，提高系统的向位裕度，改善系统的暂态性能，但不能改变稳态误差系

8、数，即不能改善系统稳态精度。因此，有必要再之后矫正网络后串连一个放大倍数为B的放大器，如图二所示的放大B倍的滞后校正的伯德图可知，这样做可以在在暂态性能不变的前提下提高系统的稳态精度。综上所述，在原系统开环部分后串连一个滞后校正装置，然后串连一个放大倍数为B的放大器，检验校正后系统的各项性能指标，如符合设计要求，则校正完成。系统的结构图如图三所示。B、L(w)1/T1/aT-20dB/decwL(w)1/T1/aTw图一图二-图三3.设计分析与计算3.1校正参数B的计算由系统原开环传递函数和放大倍数B 得到校正后系统的开环传递函数为G(s)=得到阶跃响应的稳态误差ess()=得到B18，为方便

9、计算，取B=203.2校正参数a、T的计算由于要求的相角裕度r=45°在校正前系统的相频特性曲线上做-180°+45°+10°=125°线，得到新系统的截止频率=8.91该频率对应原系统幅频特性的交点为-13.1dB。由于校正后系统含有一个放大器会使系统幅频特性向上平移，所以令-13.1+20lgB=20lg1得到a=0.224令=*cot(90°-10°)得到T=2.8473.3校正后系统的检验对校正后的系统计算各项参数，得到单位阶跃输入的稳态误差()=0.97。借助校正后系统的伯德图，得到校正后的相角裕度r=104

10、76;。借助校正后系统的波形图，得到校正后的调节时间ts=1.97s(误差为2%时)。各项参数均符合设计要求。4.仿真程序、结果及结果分析4.1校正前系统的奈奎斯特曲线与伯德图 程序：num=1,10;den=1,2,20;nyquist(num,den) 校正前系统奈氏曲线程序：num=1,10;den=1,2,20;bode(num,den) 校正前系统伯德图4.2校正后系统的奈奎斯特曲线与伯德图程序：num=12.76,147.6,200;den=2.847,19.454,206.54,220;nyquist(num,den)校正后系统奈氏曲线程序：num=12.76,147.6,200

11、;den=2.847,19.454,206.54,220;bode(num,den)校正后系统伯德图4.3校正前后系统动态性能的比较校正前系统单位阶跃响应的波形图校正后系统的单位阶跃响应的波形图 有校正前后系统单位阶跃响应的波形图可知，校正后系统的稳态值越是校正前系统稳态值约三倍。 校正前系统的超调量为49%，校正后变为19.5%。取=2，校正前系统的调节时间为2.7s，校正后变为1.97秒。校正前系统的上升时间为0.22s，校正后变为0.20s。校正前系统的峰值时间为0.48s,校正后变为0.30s。可知，经过校正，系统的动态性能得到了改善。参考文献 田思庆， 梁春英编著. 自动控制理论 .

12、中国水利水电出版社 , 2013 魏克新，王云亮编著. MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000. 王正林，王胜开编著. MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社. （美）安德鲁，（美）威廉斯编著. 实用自动控制设计指南.化学工业出版社. 黄忠霖编著. 自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007. 彭雪峰，刘建斌编著. 自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.心得体会 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产

13、过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、相位等，都有相应的控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。此外，在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。自控涉及的只是很广，所需的知识较多。当然，由于本科阶段时间有限，我们不能很好的更深入的学习自动控

14、制这门课。若想把它学好，在条件许可下，我们应该考上研究生，在研究生阶段更彻底的学习。通过半年的学习，我们对自动控制原理有了比较一定的认识，并能简单运用自动控制解决一些简单问题。我们运用平时所学的一些基础知识解决了课程设计的问题，深感欣慰、高兴。通过本次的课程设计，我们又对自控有了一定的加深。并知道了在当今的信息技术如此发达的世界中，我们必须运用多种渠道，去学习研究。并要很好的运用计算机和一些软件，只有这样，我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。平时只有理论知识学习，却缺少必须的动手机会，当然在实验课上，也锻炼了自己的动手能力。可是，毕竟课上时间有限，不能深入的完成实验。要把理论转化为实践是必

15、须的，学生必须尽力为自己寻找一些实验，动手的机会。课程设计为我们提供了这样的机会。课设过程中，大家自己独立思考，完成老师布置的题目，学习了很多东西，把自己所学用于实际，自己倍感有成就感。课设期间，遇到问题，独立解决或同学在一起讨论，大家很有目的的做课设，受益匪浅.- 10 -课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100>x90)良好(90>x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风

16、良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写