自控课程设计

PAGE１自动控制原理课程设计题目自动供水控制系统校正装置设计专业电气工程及其自动化姓名班级学号指导教师职称副教授郑州航空工业管理学院机电工程学院2011年12月目录一、设计目的…………3二、设计要求…………3三、设计任务…………3四、设计思想…………3五、设计方法与步骤…………………4原系统根轨迹图…………………4确定校正的传递函数……………5校验是否合理……………………94、校正装置的电路形式……………95、仿真……………………9设计总结……………11心得体会……………11参考文献……………11设计目的通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理，一般电学系统自动控制方法的基础上，用MATLAB实现系统的仿真与调试。二、设计要求收集和查阅有关技术资料，独立完成所承担的设计课题的全部内容，初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤和设计规范的应用；对工程设计方案进行选择和分析；绘制设计图；撰写说明书。具体要求如下：根据所学控制理论知识（频率法、根轨迹法等）进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数；在MATLAB下，用进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；确定校正装置的电路形式及电路参数（选作）；完成设计报告。设计任务已知某自动供水控制系统不可变部分传递函数为:,要求系统满足以下性能指标：超调量，,,系统带宽不大于0~5rad/s。用根轨迹设计法确定由近似PI控制器实现的串联滞后校正参数。设计思想对一个控制系统来说，如果它的元部件及其参数已经给定，就要分析它能否满足所要求的各项性能指标，即进行系统的分析。在实际工程控制问题中，往往实现确定了要求满足的性能指标，要求设计一个系统并选择适当的参数来满足性能指标的要求，或考虑对愿意选定的系统增加必要的元件或环节，使系统能够全面地满足所要求的性能指标，同时也要照顾到工艺性、经济性、使用寿命和体积等，即系统的综合与校正。超前校正的目的是改善系统的动态性能，实现在系统动态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。滞后校正通过加入滞后校正环节，使系统的开环增益有较大幅度增加，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越频率前移，达到增加系统相位裕度的目的。滞后-超前校正适用于对校正之后系统的动态和静态性能有更多更高要求的场合。施加滞后-超前校正环节，主要是利用其超前部分增大系统的相位裕量度，以改善系统的动态性能，利用其滞后部分改善系统的静态性能。五、设计方法与步骤1、绘出原系统的根轨迹；EQ\o\ac(△,1).对校正前开环传递函数：分母系数n=4,则根轨迹有4条分支。存在4个极点，分别为：0，-4，-10，-20；无零点；关于实轴对称且连续；实轴上的根轨迹段3)求渐近线与实轴交点为,即为；与实轴正方向夹角为：（k=0,1,2,3……），即为；4)分离点：,则有，解得=-16.6或-1.665）与虚轴交点：将代入特征方程即令实部和虚部分别等于零，解得=4.85，即与虚轴交点为。校正前根轨迹MATLAB程序为：>>=[800];>>den=[1343208000];>>(,den)2、确定校正的传递函数EQ\o\ac(○,1)根据要求的动态响应指标，确定希望的闭环主导极点；求得0.456，取求得2.56rad/s，取rad/s则希望的闭环主导极点为EQ\o\ac(○,2)验证sd是否在原根轨迹上；根据可知==124oEQ\o\ac(○,3)动态校正设，按阶次不变来选择，则，则校正后系统为则令K0=800KvKc1合并同类项，则EQ\o\ac(

,1)EQ\o\ac(

,2)EQ\o\ac(

,3)EQ\o\ac(

,4)解得，则所以EQ\o\ac(○,3)带宽rad/s满足题目中要求的带宽不大于0~5rad/s。EQ\o\ac(○,4)为满足性能指标而应增大误差系数，取=10；EQ\o\ac(○,5)确定滞后校正装置的零、极点，原则是使零、极点靠近坐标原点，且二者相距β倍；过sd作射线，使其与线的夹角小于10o，此线与负实轴交于0.1处，即为校正装置零点的坐标，再由值求得校正装置的极点/=0.01，则滞后校正装置为EQ\o\ac(○,6)校正后系统开环传递函数为EQ\o\ac(○,7)绘出校正后系统的根轨迹，并求出主导极点；校正后根轨迹MATLAB程序为：>>=[10.1];>>den=(((([10],[14]),[110]),[120]),[10.01]);>>(,den)局部放大图新的闭环主导极点在阻尼比不变的前提下，由校正后的根轨迹求得根轨迹理论作图步骤：对校正后的开环传递函数：1)根轨迹有5条分支；有零点；2)根轨迹关于实轴对称，且连续。3）在实轴上的根轨迹段4)渐近线与实轴交点为：(-6.8,0j);与实轴正方向夹角：；5)分离点:令A(s)=；B(s)=80(s+0.1)由,解得d=-16.6或-1.66)与虚轴交点：将代入特征根方程D(s)=s(s+0.01)(s+4)(s+10)(s+20)+80Kv(s+0.1)=0，得EQ\o\ac(○,7)由闭环极点，根据幅值条件，适当调整放大器的增益；放大器增益3、校验校正后系统各项性能指标，如不满足要求，可适当调整校正装置的零、极点。阻尼比，无阻尼自然振荡角频率rad/s，调整时间s，满足题意；带宽rad/s，满足题中要求；所以各个指标均在允许范围内，设计是合理的。校正装置的电路形式取，根据得5、仿真在下采用串联滞后校正，其仿真模块图为校正前阶跃响应校正后阶跃响应设计总结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，极大的提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平。在今天的社会生活中，自动化装置无所不在Kv，为人类文明进步做出了重要贡献。通过这次对控制系统的滞后校正设计的分析，让我对串联滞后校正环节有了更清晰的认识，同时也学会了公式编辑器的基本使用方法，以及对MATLAB这个软件有了初步了解，加深了对课本知识的进一步理解。心得体会通过这次的设计使我对自动控制原理课程中所学习到的知识得到了更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生活中，在实际生活中扩展自己的能力和学习热情。通过这次的设计也使我对经典控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许多的系统传递函数、微分方程、校正仿真等问题。这也就要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。还有通过这两天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的，在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。