自动控制原理课程设计报告-4

自动控控制理论课程设计PAGEPAGE0自动控制原理课程设计专业：电气工程及其自动化设计题目：二阶系统的综合设计指导教师：班级：学生姓名：学号：分院院长：教研主任：电气工程学院

一、设计内容及要求1、设计内容已知单位反馈系统的开环传递函数为，当时，其，要求，。试利用有源串联超前校正网络进行系统校正。2、设计要求1）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数；2）根据计算结果确定有源超前网络元件参数R、C值；3）设计原系统模拟电路、校正后系统电路；4）徒手绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线；5）搭建电路，输入阶跃信号，记录校正前、后系统的阶跃响应曲线，分析结果；6）利用Matlab仿真软件辅助分析设计，并验算设计结果，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线；7）在Matlab-Simulink下建立系统仿真模型，求校正前、后系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较；8）设计完成后提交设计报告，内容包括：理论计算设计过程及结果、仿真设计过程及结果、确定校正装置参数的过程，最后说明校正装置的作用；9）手写设计报告，Matlab仿真结果打印。二、参考资料[1]《自动控制原理》教材；[2]《自动控制原理实验指导书》；[3]Matlab相关书籍；三、设计计划（2011年12月5日~时间设计内容5~6日布置设计任务、查阅资料、理论设计7～14日Matlab仿真设计、Simulink仿真分析15～18日写设计报告并提交四、时间及地点上午：8:00～11:00下午：1:00～16:00地点：新实验楼321、323

目录第一章校正装置及其相关设计 31.1设计矫正装置……………………..………31.1.1求原系统的超调量和调节时间….…………...……….31.1.2校正装置的传递函数………….……...31.2设计校正前.后系统模拟电路…….…………31.2.1设计校正前系统的模拟电路…………………...…….31.2.2设计校正后系统的模拟电路……...….41.3会出系统前.后波特图…………………...…...51.3.1校正前的波特图的计算与绘制……………...……….51.3.2校正装置的波特图的计算与绘制………………...….51.3.3校正后的波特图的计算与绘制…………….5第二章Matlab仿真软件辅助分析设计 92.1Matlab简介 92.2Matlab仿真 9第三章simulink仿真 133.1Simulink简介 133.2Simulink仿真 133.2.1校正前仿真 133.2.2校正后仿真 14第四章实际电路响应 154.1校正前实际电路响应 154.2校正后的实际电路响应 16第五章数据的分析和总结…………….…….18附录……………………...…………..19参考文献：…………………..……….20

第二章Matlab仿真软件辅助分析设计2.1Matlab简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。2.2Matlab仿真首先在桌面上打开matlab7.1快捷方式然后单击File→New,新建空白空间，最后再输入想要的程序（此程序直接粘贴的）：a=10b=[110]g=tf(a,b)bode(g)grid也可以输入a=10回车后再输入b=[110]加回车以此类推直到把程序输入完成。输入结果是：表2-2然后后单击鼠标左键点击所要的点，进行截图保存。用鼠标左键点击可得Frequency=3.1rad/sec,agnitude=-0.101dB,hase=-162deg再粘入:a=[0.4561]b=[0.1141]g=tf(a,b)bode(g)grid回车结果为：图2-2-2校正装置仿真图左键单击选择Wc`点对应的值及：Frequency=4.36rad/sec，Magnitude=5.99dB，Phase=36.9deg输粘入：a=10b=[110]g1=tf(a,b)bode(g1)gridholdonc=[0.4561]d=[0.1141]g2=tf(c,d)bode(g2)a1=conv(a,c)b1=conv(b,d)g=tf(a1,b1)holdonbode(g)回车后结果为：图2-2-3校正后装置仿真图从图中可以读出：校正前装置：Fquency=3.07rad/sec，Magnitude=0.0549dB，Phase=-162deg校正装置；Frequency=4.4rad/sec，Magnitude=6.03dB，Phase=36.9deg校正后装置：Frequency=4.43rad/sec,agnitude=0.000601dB,Phase=-130deg

第三章simulink仿真3.1simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink的简单操作3.2Simulink仿真3.2.1校正前仿真打开Matlab后点击Simulink会出现一个对话框。然后点击File选择新建Model此时会出现一个空白工作空间。左键点击Sources选择step阶跃信号，用鼠标左键直接拖到空白工作空间。左键点击MathOperations选择Sum，用鼠标拖到工作空间后，双击会出现一个属性框，在listofsigns栏中输入+-点击OK确定。左键点击Continuous选择Integrator积分环节拖到工作空间，在选择TtransferFcn微分环节拖到工作空间。左键点击MathOperations选择Gain比例环节拖到空间后左键双击会出现一个对话框，把Gain值更改成10，击OK确定。按照以上方法选择示波器Scope。最后合理安排好各个环节的位置后，依次按顺序用线连接结果如图：图3-2-1校正前仿真图单击startsimulation后双击Scope会出现波形，为了便于读数在波形上右键点击选择Autoscale会出现如图：图3-3-2校正前响应图3.2.2校正后仿真重复3.1.1的步骤然后单击Continuous选择Integrator积分环节拖到工作空间后双击积分环节，Numeratorcoefficient中输入[0.4560.114]，按OK确定。合理安排位置和顺序后连线结果如图：图3-3-3校正后仿真图点击startsimulation后双击Scope会出现波形，为了便于读数在波形上右键点击选择Autoscale会出现如图：图3-3-4校正后响应图第四章实际电路响应4.1校正前实际电路响应在拿到实验箱后，与电脑进行连接，然后按所设计的电路图进行连接，打开虚拟示波器，把电源电压调到合适的大小后，把示波器上的储存打开，按一下开关等几秒后，关闭示波器进行读数结果为：图4-1-1校正前电路响应4.2校正后的实际电路响应按照校正后的电路进行连线，然后进行给电容放电，打开虚拟示波器，把示波器上的储存打开，按一下开关等几秒后，关闭示波器进行读数结果为：图4.2.1校正后电路响应数据分析和总结理论计算时：校正前：Wc=3.1,r=17.9°,σ%=60%，ts=6s校正后：Wc=4.4,r=49.8°,σ%=12.2%,ts=2.5Matlab仿真时：校正前：Wc=3.07,r=18°,σ%=60%,ts=6s校正后：Wc=4,43,r=50°,σ%=12.2%,ts=2.5s实际测量时：校正前:σ%=45%，ts=2.43s校正后：σ%=19%，ts=1.42s综合以上分析超前校正的优点如下：(1)使开环截止频率增大，闭环频带宽度增加，暂态响应加快。(2)可以在不改变系统的稳态性能的前提下，提高系统的暂态性能。(3)校正装置容易实现。超前校正的缺点如下(1)由于频率特性高频段幅值的提高，降低了系统抗高频干扰信号的能力。(2)需提高系统的放大倍数，以补偿超前网络对增益的衰减作用。(3)若待校正系统在其截止频率附近，相频特性衰减较快，一般不宜采用超前校正。因为即使采用超前网络补偿，补偿效果也不显著。(4)对于不稳定的系统，一般也不宜采用超前校正方法，否则由于α过大，