控制系统的滞后校正设计

/牡丹江师范学院本科学生课程设计指导书题目限制系统的滞后校正设计班级11级工业电气学号姓名指导老师王淑玉牡丹江师范学院2013年11自控原理课程设计指导书课程名称：自动限制原理学时数：2周学分数：开课院、系（部）、教研室：物理和电子工程学院电子信息教研室执笔人：王淑玉设计目的学习基本理论在实践中综合运用的初步阅历，驾驭自控原理设计的基本方法、设计步骤，培育综合设计和调试实力。二、设计任务画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；用Matlab画出上述每种状况的阶跃响应曲线，并依据曲线分析系统的动态性能指标；三、设计内容和要求依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。设计资料及有关规定字体符合要求，正确运用编程五、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.到试验室准备器件作好试验准备主要图式、表式电路图、表要规范，符合设计要求时间支配2013.11.1设计动员，发放设计任务书.3查阅资料、拟定设计程序和进度支配2013.11.4-2013.11.10确定设计方案、试验、画图、编写设计说明书2013.11.11完成设计，交指导老师批阅2013.11.14成果评定九、考核内容和方式考核的内容包括：学习看法；技术水平和实际实力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；实行审定和答辩相结合的方式，成果评定按百分制记分。十、参考书目田思庆，梁春英自动限制理论中国水利水电出版社2013魏克新，王云亮编著.MATLAB语言和自动限制系统设计.机械工业出版社,2000.王正林，王胜开编著.MATLAB/Simulink和限制系统仿真.电子工业出版社.（美）安德鲁，（美）威廉斯编著.好用自动限制设计指南.化学工业出版社.黄忠霖编著.自动限制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.彭雪峰，刘建斌编著.自动限制原理实践教程.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限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：计算参数A,T用Matlab画出上述每种状况的阶跃响应曲线，并依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状况（含指定参考资料）：田思庆,梁春英自动限制理论中国水利水电出版社,2013魏克新，王云亮编著.MATLAB语言和自动限制系统设计.机械工业出版社,2000.课程设计的工作支配：2013.11.1设计动员，发放设计任务书.3查阅资料、拟定设计程序和进度支配确定设计方案、试验、画图、编写设计说明书完成设计，交指导老师批阅2013.11.14成果评定任务下达日期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TOC\o"1-5"\h\z\u1.设计要求 12.设计原理 13.设计分析和计算 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校正前系统的奈奎斯特曲线和伯德图 44.2校正后系统的奈奎斯特曲线和伯德图 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 滞后校正限制系统设计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限制系统的性能指标为调整时间<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，并依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，说明书中必需写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按教务处标准书写。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，调整时间和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，须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，必需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需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，但不能变更稳态误差系数，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/aTBL(w)1/T1/aT-20dB/decwL(w)1/T1/aTw图一图二--图三图三3.设计分析和计算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B＞18，为便利计算，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°。借助校正后系统的波形图，得到校正后的调整时间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和伯德图程序：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和伯德图程序：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];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，校正前系统的调整时间为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.自动限制理论.中国水利水电出版社,2013魏克新，王云亮编著.MATLAB语言和自动限制系统设计.机械工业出版社,2000.王正林，王胜开编著.MATLAB/Simulink和限制系统仿真.电子工业出版社.（美）安德鲁，（美）威廉斯编著.好用自动限制设计指南.化学工业出版社.黄忠霖编著.自动限制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.彭雪峰，刘建斌编著.自动限制原理实践教程.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，自动限制技术起着越来越重要的作用。自动限制是指在没有人干脆参和的状况下，利用外加的设备或装置（称限制装置或限制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被限制量）自动地依据预定的规律运行。自动限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，都有相应的限制系统。在农业方面的应用包括水位自动限制系统、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，自动限制技术也都有着实际的应用。随着限制理论和限制技术的发展，自动限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、社会等全部领域。自控涉及的只是很广，所需的学问较多。当然，由于本科阶段时间有限，我们不能很好的更深化的学习自动限制这门课。若想把它学好，在条件许可下，我们应当考上探讨生，在探讨生阶段更彻底的学习。通过半年的学习，我们对自动限制原理有了比较确定的相识，并能简洁运用自动限制解决一些简洁问题。我们运用平常所学的一些基础学问解决了课程设计的问题，深感欣慰、兴奋。通过本次的课程设计，我们又对自控有了确定的加深。并知道了在当今的信息技术如此发达的世界中，我们必需运用多种渠道，去学习探讨。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。平常只有理论学问学习，却缺少必需的动手机会，当然在试验课上，也熬炼了自己的动手实力。可是，终归课上时间有限，不能深化的完成试验。要把理论转化为实践是必需的，学生必需尽力为自己找寻一些试验，动手的机会。课程设计为我们供应了这样的机会。课设过程中，大家自己独立思索，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探讨，大家很有目的的做课设，受益匪浅.课程设计指导老师评定成果表项目分值优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)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看法15学习看法细致，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看法比较细致，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习看法尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习看法尚可，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和实际实力25设计合理、理论分析和计算正确