自动控制原理课程设计

自动控制原理课程设计课程实习报告课程名称：自动控制原理及专业软件课程实习题目名称：三阶系统分析与校正年级专业及班级：建电1001姓名：学号：指导教师：评定成绩：教师评语：扬州大学能源与动力工程学院实习报告扬州大学自控原理课程设计任务书1.课程设计目的与任务自动控制原理课程设计是一项综合性和实践性很强的教学环节。本课程设计旨在让学生初步掌握控制系统数字仿真的基本方法，并学会利用MATLAB语言进行控制方针和辅助设计的基本技能。2.课程设计的设计课题题目：三阶系统的校正与分析设单位负反馈的开环传递函数为：G（s）=K/S(S+1)(S+5)，设计校正装置，使系统在阶跃输入下的超调量小于等于30%，调节时间小于等于5s，而单位斜坡输入时的稳态误差小于等于15%。要求：（1）确定采用何种校正装置。仿真校正前系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。（2）将校正前性能指标与期望指标进行比较，确定串联校正网络Gc(s)的传递函数，仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。仿真校正后系统的开环对数频率特性图以及根轨迹仿真图。（3）当输入r(t)=1时，仿真出校正前系统的单位阶跃响应曲线h(t)。分析校正前后的单位阶跃响应曲线，得出结果分析结论。3.课程设计的基本要求（1）学习掌握MATLAB语言的基本命令、基本操作和程序设计；掌握MATLAB语言在自动控制原理中的应用；掌握SIMULINK的基本操作，使用其工具建立系统模型进行仿真。（2）应用MATLAB/SIMULINK进行控制系统分析、设计。通过建立数学模型，在MATLAB环境下对模型进行仿真，使理论与实际得到最优结合。（3）撰写自控原理课程设计报告。目录1.前言2.未校正系统分析2.1复域分析2.2时域分析2.3频域分析扬州大学能源与动力工程学院实习报告前言自动控制是指利用控制装置或控制器，使被控量的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行，无需人工干预。稳定性、准确性和快速性是自动控制系统的基本要求。自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，为人类文明进步做出了重要贡献。用SIMULINK进行仿真在自动控制领域，SIMULINK是一种广泛使用的工具，可以进行各种仿真实验。通过SIMULINK进行仿真，可以更好地理解自动控制系统的工作原理，进一步优化系统性能。选定合适的校正方案为了满足自动控制系统的要求，需要选定合适的校正方案。校正装置的设计和参数计算是校正方案的重要组成部分。设计串联超前校正网络的步骤包括确定校正装置、参数计算等。校正系统伯德图可以帮助我们更好地理解校正方案的实现。校正后系统分析校正后需要对系统进行分析，以评估校正效果。复域分析、时域分析和频域分析是常用的分析方法。通过SIMULINK进行仿真，可以更加直观地了解校正后系统的性能。同时，校正后的实验电路图也可以提供实验数据和结果。致谢在实习期间，我们得到了许多专业知识和实践经验，感谢导师和同学们的帮助和支持。参考文献[1]陈志勇,李建华.自动控制原理[M].北京:机械工业出版社,2017.[2]余金龙,王小川.自动控制系统设计与实践[M].北京:清华大学出版社,2018.本课程设计讨论如何根据被控对象及给定的技术指标要求设计自动控制系统。在工程实践中，为了满足性能指标的要求，需要在系统中加入一些适当的元件或装置去补偿和提高系统的性能。这一过程称为校正，常用的校正方式有串联校正、反馈校正和复合校正三种。控制系统的动态性能和稳态性能的分析可以运用时域分析法、根轨迹法和频域法。如果系统模型是状态空间模型，可以运用状态空间分析与设计方法。系统的时域响应可定性或定量分析系统的动态性能；根轨迹法是利用图解法求系统的根轨迹并用于系统的分析与综合；控制系统中的信号可由不同频率正弦信号合成。而控制系统中的频率特性反映了正弦信号作用下系统响应的性能。应用频率特性研究线性系统的经典方法称为频率分析法。通过分析确定系统是不是稳定并制定合适的校正方案。未校正系统分析中，我们首先运用复域分析得到稳态误差小于等于0.15即1/k<=0.15解得k>=33.3，因此选择k=40。接着绘制根轨迹图，分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能（稳定性、快速性）。根据根轨迹分析未校正系统的稳定性和快速性，我们得出结论：系统不稳定。在系统快速性分析方面，我们需要列出闭环传递函数的特征方程和劳斯表，通过劳斯稳定判据得出结论：0<k<30时系统处于稳定状态，而K=40>30，因此系统不稳定。为了改善系统的动态性能和稳定性，我们决定采用串联超前校正方案。具体步骤如下：1.确定校正网络的传递函数形式，一般为一阶超前网络或二阶超前网络。2.根据系统的特性参数，如幅值裕度、相位裕度、穿越频率、截止频率等，计算出校正网络的参数。3.根据校正网络的传递函数和参数，画出校正网络的频率响应曲线和根轨迹图。4.将校正网络与原系统串联，形成新的闭环系统，计算出新的特性参数，并画出新的根轨迹图和伯德图。5.根据新的特性参数和图形分析，对校正网络的参数进行调整，直到满足系统的要求。6.最后进行仿真验证，检验校正效果是否达到预期。通过以上步骤，我们可以设计出一个合适的串联超前校正网络，从而改善系统的动态性能和稳定性。1.根据要求，稳态误差为ess＜0.15，因此取K=40，使得1/k＜0.05；2.根据已确定的K，画出未校正系统的对数频率特性，确定截止频率wc’、相角裕度r和幅值裕度h；3.选择不同的wc”，计算或查出不同的相角裕度r，在伯德图上绘制r（wc”）曲线；4.根据相角裕度要求，选择已校正系统的截止频率wc”；考虑滞后网络在wc”处会产生一定的相角滞后Ψc（wc”），因此r”=r（wc”）+Ψc（wc”）；5.确定滞后网络参数a和T，使得10lga+L（wc”）=0；6.校验系统的性能指标。在稳态误差要求下，选择合适的开环增益K，使得系统的稳态误差满足要求。根据已确定的K，绘制出未校正系统的对数频率特性，并确定出截止频率wc’、相角裕度r和幅值裕度h。选择不同的截止频率wc”，计算或查出不同的相角裕度r，在伯德图上绘制r（wc”）曲线。根据相角裕度要求，选择已校正系统的截止频率wc”，并考虑滞后网络在wc”处会产生一定的相角滞后Ψc（wc”），从而计算出相角裕度r”=r（wc”）+Ψc（wc”）。确定滞后网络参数a和T，使得10lga+L（wc”）=0。最后，校验系统的性能指标，确保系统的稳定性和性能优良。Title:校正后系统阶跃响应通过计算，得到校正后系统的单位阶跃响应最大值为1.2310。根据图8可知，此时系统的超调量小于等于30%且调节时间小于等于5秒，符合要求。在频域分析中，使用MATLAB计算得到校正后系统的伯德图和margin图，如图9和图10所示。根据计算结果，得到校正前系统的幅值裕度gm为15.66，相位裕度pm为16.6，穿越频率wg为5.04。与之前所取的截止频率相比，校正后系统的截止频率wp基本相同，表明校正正确。使用SIMULINK进行仿真，得到校正后系统的仿真图如图11所示。同时，根据实验要求，绘制了校正后的实验电路图。最后，感谢指导老师李喆老师在课程设计中的指导和帮助，让我们学到了许多实践中需要注意的问题，为今后的毕业设计和工作生活打下了基础。我虽然学过MATLAB，也在课本上看到过相关内容，但我还不太熟练。这次自动控制原理课程设计让我更好地学会了如何使用这个软件。由于我在课堂上并没有完全掌握自动控制原理的知识，所以这次课程设计对我来说非常具有挑战性。虽然在很多人看来，为期一周的课程设计可能是一种煎熬，但我理解这种感受。在这一周里，我们不仅要完成这个课程设计，还要学习其他专业课程。为了学习MATLAB，我首先翻看了以前的教材。这些书讲得比较简单易懂，看完后我对MATLAB有了更深入的了解，并学会了一些简单的编程。接下来，我去图书馆借了相关的书籍进行借鉴和参考。当我需要使用某个功能时，我就在书上找到相应的部分进行翻阅，这样就能很好地应用MATLAB了。为了掌握自动控制原理的相关知识，我重新翻看了教材好几遍，特别是第六章，详细了解了校正的原理。只有在我对校正有了较好的认识之后，才开始进行单位负反馈系统设计。在校正设计时，需要对校正原理有较好的理解才能选出合适的参数。在试取值时，我不是一次就成功了，尝试了几次才选出比较合适的参数。这种不断尝试的经历让我们养成了一种不断探索的科学研究精神。我认为，对于想要从事技术行业的学生来说，这是非常重要的。每一次课程设计都能让我们学到很多东西，这次也不例外。不仅巩固了自动控制原理的知识，还加强了我对强大软件MATLAB的使用学习。最终，我们成功完成了这次课程设计。在设计中，我遇到了很多编程问题