自动控制原理课程设计(室温控制系统校正装置设计)

PAGE室温控制系统校正装置设计一、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。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；使用MATLAB和Simulink，对加入的校正装置的系统进行动态仿真，并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。三、设计任务已知某室温控制系统为单位负反馈，某开环传递函数为：，试用Bode图设计法对系统进行滞后串联校正设计，使系统满足;系统在斜坡信号作用下，系统的速度误差系数≥30系统校正后的剪切频率≥2.3系统校正后，系统的相角裕量2.2设计要求①分析设计要求，说明校正的设计思路（滞后校正分析②详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode图，校正装置的Bode图，校正后系统的Bode图）③用MATLAB编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）④校正前后系统的单位阶跃响应图。三、设计方法步骤及设计校正构图3.1校正前系统分析校正前系统的开环传递函数为： 设计校正要求：≥30，≥2.3，因为=，所以所以，原系统开环传递函数变为：利用MATLAB绘画未校正系统的Bode图,见图1在MATLAB中编写如下程序：num=30;f1=[1,0];f2=[0.1,1];f3=[0.2,1];den=conv(f1,conv(f2,f3));bode(num,den)原系统Bode图图1利用MATLAB绘制未校正系统的单位阶跃响应曲线，见图2在MATLAB中编写如下程序：num=30;f1=[1,0];f2=[0.1,1];f3=[0.2,1];G=tf(f1,conv(f2,f3));G1=feedback(G,1);t=0:0.1:10;step(G1,t);gridxlabel('t');ylabel('c(t)');title('原系统单位阶跃响应');阶跃响应曲线为：图2由图1可以看出，相角欲度，此时系统的相角裕度不符合要求，故该系统需要校正。由于校正前系统已有一定的相角欲度，因此可以考虑引入串联滞后校正装置以满足相角欲度的要；由图2系统在阶跃输入下是不能稳定的输出，系统的动态性能不佳。3.2校正方法根据系统的性能，决定采用串联滞后校正。在MATLAB中设计滞后网络的步骤如下：（1）根据稳态误差要求确定开环增益K因为=，所以（2）利用确定的开环增益并在MATLAB中绘制原系统Bode图（见图1），读出原系统的相角裕度。（3）确定校正后的系统剪切频率。在此频率上开环传递函数的相位裕量应等于要求的相位裕量再加上（）——补偿滞后校正网络本身在处的相位滞后。现要求校正后系统的相位裕量，为了补偿滞后校正网络本身的相位滞后，需要再加上的补偿角，所以取（补偿角取）在Bode图（图1）上可找得，在附近的相位角等于（即相位裕量为），故取此频率为校正后系统的增益剪切频率。即：（4）求值。确定原系统频率特性在处的幅值下降到0dB时所必需的衰减量=20Lg，求取值。由图1得原系统在处的频率增益为21.2dB，为了保证系统的增益剪切频率处，滞后校正装置应产生21.2dB的衰减量：=21.2dB，即20=20Lg（5）选取T值。为了使滞后校正装置产生的相位滞后对校正后系统的增益剪切频率处的影响足够小，应满足，一般取=10/T取T=10/=4.35（6）确定滞后校正装置的传递函数利用MATLAB绘画校正装置的bode图，见图3在MATLAB中编写如下程序：G=tf([4.351],[52.21]);figure(1)margin(G);grid[gm,pm,wg,wp]=margin(G);title('校正装置');校正装置Bode图如下：图33.3校正装置采用RC网络构成无源滞后校正装置如下图：其传递函数为：其中,（），由校正装置传递函数得如下关系：=12，即———————①=4.35———————————————②选取适当的且满足①②两关系式的参数值即可确定校正装置。3.4校正后系统分析经超前校正后，系统开环传递函数为：(1)利用MATLAB绘画系统校正前、后的bode图（见图4）及校正前、后系统对单位阶跃响应（见图5）的对比在MATLAB中编写如下程序：num=627;f1=[1,0];f2=[0.1,1];f3=[0.2,1];den=conv(f1,conv(f2,f3));g0=tf(num,den);pm=627;dpm=pm+5;[mag,phase,w]=bode(g0);magdb=20*log10(mag);wcg=2.4gr=-spline(w',magdb(1,:),wcg);alpha=10^(gr/20);T=10/(alpha*wcg);gc=tf([alpha*T1],[T1]);F0=feedback(g0,1);F=feedback(g0*gc,1);figure(1);bode(g0,g0*gc);figure(2);step(F0,F);校正前、后系统的Bode图对比：图4校正前、后系统对单位阶跃响应对比：,图5四、在MATLAB下，用Simulink进行动态仿真在Simulink仿真环境下采用串联滞后校正，校正前结构图（见图6），对原系统仿真，得系统的单位阶跃响应曲线（见图7）见图6校正前系统的单位阶跃响应曲线：图7由图7可看出，系统对单位阶跃响应的输出极不稳定，系统不能满足设计要求，需要对系统进行校正。在原系统结构图上串加上环节进行滞后校正，校正后系统结构图（见图8），对校正后系统仿真，得系统的单位阶跃响应曲线（见图9）图8校正后系统的单位阶跃响应曲线:图9由图9可看出，系统对单位阶跃响能够稳定的应输出，系统的最大超调量在25%左右，过渡时间在2.5s附近，对于本温度控制系统以上参数是满足要求的。五、总结由上分析可知：在滞后校正中，利用的是滞后校正网络在高频段的衰减特性。对系统滞后校正后：改善了系统的稳态性能滞后校正网络实质上是一个低通滤波器，对低频信号有较高的增益，从而减小了系统的稳态误差。同时由于滞后校正在高频段的衰减作用，使增益剪切频率移到较低的频率上，提高系统的稳定性。响应速度变慢滞后校正装置使系统的频带变窄，导致动态相应时间增大。庄子云：“人生天地之间，若白驹过隙，忽然而已。”是呀，春秋置换，日月交替，这从指尖悄然划过的时光，没有一点声响，没有一刻停留，仿佛眨眼的功夫，半生已过。人活在世上，就像暂时寄宿于尘世，当生命的列车驶到终点，情愿也罢，不情愿也罢，微笑也罢，苦笑也罢，都不得不向生命挥手作别。我们无法挽住时光的脚步，无法改变人生的宿命。但我们可以拿起生活的画笔，把自己的人生涂抹成色彩靓丽的颜色。生命如此短暂，岂容随意挥霍！只有在该辛勤耕耘的时候播洒汗水，一程风雨后，人生的筐篓里才能装满硕果。就算是烟花划过天空，也要留下短暂的绚烂。只有让这仅有一次的生命丰盈充实，才不枉来尘世走一遭。雁过留声，人过留名，这一趟人生旅程，总该留下点儿什么！生活是柴米油盐的平淡，也是行色匆匆的奔波。一粥一饭来之不易，一丝一缕物力维艰。前行的路上，有风也有雨。有时候，风雨扑面而来，打在脸上，很疼，可是，我们不能向生活低头认输，咬牙抹去脸上的雨水，还有泪水，甩开脚步，接着向前。我们需要呈现最好的自己给世界，需要许诺最好的生活给家人。所以，生活再累，不能后退。即使生活赐予我们一杯不加糖的苦咖啡，皱一皱眉头，也要饮下。人生是一场跋涉，也是一场选择。我们能抵达哪里，能看到什么样的风景，能成为什么样的人，都在于我们的选择。如果我们选择面朝大海，朝着阳光的方向挥手微笑，我们的世界必会收获一片春暖花开。如果我们选择小桥流水，在不动声色的日子里种篱修菊，我们的世界必会收获一隅静谧恬淡。选择临风起舞，我们就是岁月的勇者；选择临阵脱逃，我们就是生活的懦夫。没有淌不过去的河，就看我们如何摆渡。没有爬不过去的山，就看我们何时启程。德国哲学家尼采说：“每一个不曾起舞的日子，都是对生命的辜负。”让我们打开朝着晨光