自动控制原理课程设计最终版,重庆邮电大学移通学院

1、成绩 _重庆邮电大学移通学院自动化系自动控制原理课程设计报告题目 型三阶系统的典型分析与综合设计系 别 自动化系 专业名称 电气工程与自动化 班 级 学 号 姓 名 孙猜胜 指导教师 重庆邮电大学移通学院自动化系制2014 年 12 月摘要在控制系统中，对于一个设计者来说，在进行控制系统校正之前，首先应确信已对被控对象进行了尽可能的改善，即通过调整控制器的各项参数仍然无法满足系统性能指标的要求。这时必须在系统中引入一些附加装置来改善系统的稳态和瞬态性能，使其全面满足性能指标要求。本次课程设计研究的是型三阶系统，要求满足给定的期望指标。对于这个系统，需要在频域中建立原系统的数学模型。根据传递函数

2、进行绘制bode图，从图中得出不满足各项指标时，则通过期望的指标设计出bode图，得到校正装置的传递函数，从而得到校正后的传递函数。然后需Simulink仿真看是否达到所希望的指标，以及设计出校正后的系统模拟图，通过实验里的设备搭建实物电路，在输入阶跃响应时，观察示波器上波形，并进行与仿真对照。本系统单纯采用超前校正或滞后校正均只能改善系统暂态或稳态一个方面的性能，并且要求的性能都比较高，宜采用了串联滞后-超前校正装置。【关键字】校正 性能指标 校正装置AbstractIn the control system, for a designer, before adjustment for co

3、ntrol system, First, the accused should have been identified for possible improvement of the object, by adjusting the parameters of the controller is still unable to meet the requirements of system performance index.Then you must introduce some additional devices in the system to improve steady-stat

4、e and transient performance of the system, so that，It fully meet the performance requirements.The curriculum design is the study of the third-order system, Required to meet the expectations of a given index.For this system, Need to establish a mathematical model of the original system in the frequen

5、cy domain. Bode charting based on transfer function,When the results from the figure does not meet the targets, by the desired index designed bode diagram, get the calibration device of transfer function, thereby obtaining the transfer function of the corrected.You then need to see if the Simulink s

6、imulation to achieve the desired targets, and design a correction after system simulation diagram, Build physical circuit through experiment equipment, When entering the step response, observed on an oscilloscope waveform, and control and simulation.The system uses a simple correction or lag correct

7、ion ahead are transient or steady-state system can only improve one aspect of performance, And performance requirements are high, should adopt a series lag - lead correction device.Keywords： correction performance index correcting device目 录自动控制原理课程设计(简明)任务书5一、系统说明（概述）61.1.设计目的61.2.系统原理（简介）61.3.各环节的性

8、能、功能特性说明61.4.设计基本要求71.5.设计指标7二、系统建模82.1.各个环节模型82.2 原系统方框图92.3.系统模拟电路图10三、系统分析113.1. 稳定性分析113.2.频域分析113.3.MATLAB绘制原系统bode图123.4绘制原系统bode图（手绘）12四、系统综合134.1.利用期望指标绘制Bode图(手绘)134.2.确定参考模型134.3 验算是否满足性能指标154.4校正装置的选取154.5.校正装置174.6.参数的选择174.7.系统综合过程表达（Bode图上）17五、系统物理模拟图195.1.原系统模拟图195.2.原系统单位阶跃响应曲线195.3.

9、综合后系统模拟图205.4.综合后系统的单位阶跃响应曲线205.6Simulink仿真21六、实验室模拟226.1.原系统阶跃响应226.2.校正系统阶跃响应22七、总结237.1课程总结237.2心得体会23参考文献：24自动控制原理课程设计(简明)任务书一、 设计题目：型三阶系统的典型分析与综合设计二、 系统说明：设单位反馈系统开环传递函数为，试设计串联校正装置，使系统满足三、 基本要求：1.用频率法分析系统：（1） 作原系统的Bode图；（2） 分析原系统的性能，当原系统的性能不满足设计要求时，则进行系统校正。2.利用频率法综合系统：（1）画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（微

10、分、积分或微分-积分校正）；（2）确定校正装置传递函数的参数；（3）画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能；若不满足，则重新确定校正装置的参数。（4）完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；四、 课程设计报告：（1）课程设计计算说明书一份；（2）原系统组成结构原理图一张（自绘）；（3）系统分析，综合用bode图一张；（4）系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）；（5）封面装帧成册；指导教师：马冬梅 2014-12-12一、系统说明（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，提高分析和解决问题能力 （2） 掌握反馈系统的基本理论和方法，对工程系统进行进行全

11、面分析 （3） 掌握控制系统的设计与校正方法 （4） 掌握使用mathtype，visio，matlab中的Simulink的使用方法1.2.系统原理（简介）开环传递函数：该传递函数可由一个积分环节、两个惯性环节组成。方块图：图1-1型三阶系统的方框图1.3.各环节的性能、功能特性说明(1)比较环节将输入信号与输出反馈回的信号进行比较，以改善放大器的静态和动态性能；(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。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

12、定时间后才能达到稳态值，因此称为一阶惯性环节。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）。(4)反馈环节：根据输入与输出在广义上是否相等来调节系统使之误差减小。1.4.设计基本要求1利用频率法分析系统：(1)作原系统的Bode图；(2)分析原系统性能，当原系统的性能不满足设计要求时，则进行系统校正。2、利用频率法综合系统：(1)画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（微分、积分或微分-积分校正）；(2)确定校正装置传递函数的参数；(3)画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能；若不满足，则重新确定校正装置的参数。3、完成

13、系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；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： 静态速度误差系数： ；调节时间： ；超调量：% ；二、系统建模2.1.各个环节模型（1）比较器 图 2-1比较器 （2）积分环节图 2-2 积分模拟图结构方框图： 图2-3输入：输出：（3）惯性环节 图2-4 惯性环节模拟图结构方框图： 图2-5输入：输出：同理第三个也是一阶惯性环节，传递函数为：2.2 原系统方框图 图2-6 原系统方框图简化框图：图2-7单位闭环传递函数框图2.3.系统模拟电路图图2-8 原系统物理模拟图三、系统分析3.1. 稳定性分析

14、闭环传递函数：特征方程：根据劳斯判据：即： 求得： 即当系统才稳定。3.2.频域分析1).求幅值穿越频率： 求得： 2).相角裕度： 求得： ；即系统不稳定。3.3.MATLAB绘制原系统bode图程序如下：s=tf('s');G=70/s/(0.1s+1)/(0.02s+1);margin(G)图3-1 原系统bode图由图可知，相角裕度为-3.26，截止频率为24.1，可以得出原系统结论：该系统不稳定。3.4绘制原系统bode图（手绘） 见附录一四、系统综合4.1.利用期望指标绘制Bode图(手绘)见附录二4.2.确定参考模型(1)期望的开环截止频率：要求，取；由： 要求，

15、取；由： 又 综合分析取整数值为 。(2)计算中频段宽度：，为得到较宽的频带取 。(3)计算各转折频率： 为了简化装置，在高端取系统的固有转折，即：， ，在低频时可以取。过作斜率的斜线与固有系统的低频段相交，可以求得第一衔接点为： 得： 得：其中： （为原系统第一个拐点对应的频率） 校正前后曲线相减作图求得校正装置的传递函数： (4)校正后的开环传递函数：4.3 验算是否满足性能指标(1)相位裕度： (2)谐振峰值：(3)超调量： (4)调节时间：其中：可知：4.4校正装置的选取(1)滞后电路图：图4-1 滞后装置模拟图传递函数：对数幅频特性：图4-2 对数幅频特性(2) 超前电路图： 图4-

16、3 超前装置模拟图传递函数：对数幅频特性： 图4-4 对数幅频特性4.5.校正装置 图4-5校正装置模拟图对数幅频特性： 图4-6 校正的对数幅频特性4.6.参数的选择令：求得：4.7.系统综合过程表达（Bode图上）程序：s=tf('s');G=70*(0.5s+1)/s/(1.75s+1)/(0.028s+1)/(0.02s+1);margin(G)图4-7五、系统物理模拟图5.1.原系统模拟图图5-1 原系统模拟图5.2.原系统单位阶跃响应曲线使用Simulink仿真： 图5-2 原系统Simulink仿真5.3.综合后系统模拟图 图5-3 校正后模拟图5.4.综合后系统

17、的单位阶跃响应曲线使用MATLAB求阶跃响应的指标并返回值图5-4 单位阶跃响应返回值在matlab中，通过输入阶跃响应信号，返回；满足要求。5.6Simulink仿真图5-5 校正后系统Simulink仿真图5-5 仿真图六、实验室模拟6.1.原系统阶跃响应图 6-1 原系统阶跃响应6.2.校正系统阶跃响应图6-2 校正后系统阶跃响应通过校正过后调节时间、超调量都满足要求。七、总结7.1课程总结通过多次校正过后，知道参考模型的第一个衔接点的位置变化，可以调整开环增益的大小，但是对于相角裕度有微量的影响。从频域分析知道，中频带的斜率与中频带宽度决定了系统动态性能的优劣。如果系统是稳定的，又具有满足动态性能，则中频带的斜率必定为-1，再则就是系统稳定的前提下，适当调整中频带两端衔接点的位置，加宽中频带的宽度，可以有效地改善系统的相角裕度，以满足给定的性能要求。7.2心得体会通过本次课程设计，让我学到了很多以前不知道的东西，收获很多。这次课程设计是要求大家独立各自完成自己的任务，培养了我们大学生独立解决问题的能力。其次，这次课程设计设计运用了许多课本上的知识，许多原理的运用，让我更加熟悉和了解了书本上的知识，对课本的知识再一次的加深了印象。其次，也涉及到了书本上没有的知识比如：这次我做的是I型三阶系统，本来学习书本时