基于根軌跡模型的控制系統(tǒng)分析與校正開題報(bào)告

1、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 自動(dòng)化 院(系) 測(cè)控技術(shù)與儀器 專業(yè) 12 級(jí) 1202 班課題名稱：基于根軌跡模型的控制系統(tǒng)分析與校正設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師： 報(bào)告日期： 2016-3-15 1 本課題所涉及的問題及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述隨著計(jì)算機(jī)仿真理論與技術(shù)的發(fā)展，目前各個(gè)科學(xué)與工程領(lǐng)域均已開展了仿真技術(shù)的研究。系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是一種新的實(shí)驗(yàn)手段，在科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真是一門以系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)工程理論、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論、隨機(jī)過程理論、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和時(shí)間序列分析等多個(gè)科學(xué)理論為基礎(chǔ)的，以工程系統(tǒng)和各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為主要處理對(duì)象的。以數(shù)學(xué)模

2、型和數(shù)字模型和數(shù)字計(jì)算機(jī)為主要研究工具的新興的邊緣學(xué)科，它屬于技術(shù)科學(xué)的范疇。計(jì)算機(jī)仿真通過對(duì)計(jì)算機(jī)輸出信息的分析與研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和演化規(guī)律的綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)。它是分析評(píng)價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)計(jì)優(yōu)化未來系統(tǒng)性能的一種技術(shù)手段，在工程設(shè)計(jì)、航空航天、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)管理、生態(tài)環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)集成等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真的基本內(nèi)容包括系統(tǒng)建模、仿真算法、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果顯示、分析與驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。 近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的進(jìn)展，諸如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制等的出現(xiàn)，使自動(dòng)控制理論又有了日新月異的發(fā)展。

3、控制的對(duì)象和過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。例如使導(dǎo)彈能夠命中目標(biāo)；宇宙飛船準(zhǔn)確地登上月球，并按預(yù)定的時(shí)間與地點(diǎn)返回地球；機(jī)床能夠自動(dòng)加工出符合一定形狀與精度的零件；機(jī)器人能按一定的規(guī)律進(jìn)行某種操作；化學(xué)反應(yīng)器在一定的壓力、溫度所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過自動(dòng)控制裝置使被下反應(yīng)并生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品等，都離不開自動(dòng)控制理論與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。自20世紀(jì)40年代以來自動(dòng)控制應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，除了在航天航空技術(shù)、軍事裝備及部門、工業(yè)生產(chǎn)過程中，自動(dòng)控制技術(shù)起著特別重要的作用外，目前大至世界及國家政治經(jīng)濟(jì)管理、能源控制、醫(yī)療衛(wèi)生、地區(qū)規(guī)劃、交通運(yùn)輸，小至人的日常生活，都離不開自動(dòng)

4、控制理論及自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用。 因此，我覺得這項(xiàng)研究極具意義，所以想在這個(gè)方向進(jìn)行深層研究。2. 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 在經(jīng)典控制理論中，系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)，就是在給定的性能指標(biāo)下，對(duì)于給定的對(duì)象模型，確定一個(gè)能夠完成系統(tǒng)滿足的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求的控制器（稱為校正器或補(bǔ)償控制器），即確定校正器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)以時(shí)域的形式出現(xiàn)時(shí)，通常用根軌跡法進(jìn)行校正。這是因?yàn)橄到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能取決于它的閉環(huán)零極點(diǎn)在S平面上的分布。因此根軌跡法校正的特點(diǎn)就是：如何選擇控制的零極點(diǎn)，去促使系統(tǒng)的根軌跡朝有利于提高系統(tǒng)性能的方向變化，從而滿足設(shè)計(jì)的要求。二階系統(tǒng)

5、的性能指標(biāo)和參數(shù)之間具有明確的解析式，而高階系統(tǒng)沒有這一點(diǎn)，只能通過尋找對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能起決定作用的主導(dǎo)極點(diǎn)，從而近似二階系統(tǒng)，在留有余量的情況下，作為設(shè)計(jì)依據(jù)。因此可以把討論對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)期望主導(dǎo)極點(diǎn)在S平面的分布要求。所以，根軌跡校正法就是迫使被校正系統(tǒng)的根軌跡通過主導(dǎo)極點(diǎn)而達(dá)到校正的目的。一、串聯(lián)超前校正的概念超前校正設(shè)計(jì)：是指利用校正器對(duì)對(duì)數(shù)幅頻曲線有正斜率的區(qū)段及其相頻曲線具有正相移區(qū)段的系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)。突出特點(diǎn)：校正后系統(tǒng)的剪切頻率比校正前的大，系統(tǒng)的快速性能得到提高。適用范圍：要求穩(wěn)定性好，超調(diào)小及動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)快的系統(tǒng)被經(jīng)常采用?；舅悸罚和ㄟ^所加校正裝置，改變系統(tǒng)

6、開環(huán)頻率特性的形狀，即要求校正后系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性具有如下特點(diǎn)：1、低頻段的滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求；2、中頻段的幅頻特性的斜率為-20dB/dec,并具有較寬的頻帶，這一要求是為了系統(tǒng)具有滿意的動(dòng)態(tài)性能；3、高頻段要求幅值迅速衰減，以較少噪聲的影響。基本原理： 利用超前校正網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性來增大系統(tǒng)的相位裕量，以達(dá)到改善系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的目的。為此，要求校正網(wǎng)絡(luò)最大的相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)的截止頻率（剪切頻率）處。一、串聯(lián)滯后校正的概念 用頻率法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正的基本原理是利用滯后校正網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值,衰減特性校正原系統(tǒng)的低頻段，以達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的目的。滯后校正的使用場(chǎng)合： 在系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不

7、高而抑制噪聲電平性能要求較高的情況下，可考慮采用串聯(lián)滯后校正。 保持原有的已滿足要求的動(dòng)態(tài)性能不變，而用以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。滯后校正的不足之處是校正后系統(tǒng)的截止頻率會(huì)減小，瞬態(tài)響應(yīng)的速度要變慢；在截止頻率處，滯后校正網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生一定的相角滯后量。最后，繪制出系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖并分析，通過采用校正裝置改變系統(tǒng)的根軌跡,從而將閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)配置到需要的位置。 解決思路：(1) 給出串聯(lián)超前校正根軌跡幾何設(shè)計(jì)方法；(2) （2）給出串聯(lián)滯后校正根軌跡幾何設(shè)計(jì)方法(3) 利用MATLAB進(jìn)行仿真；(4) 比較二者校正結(jié)果的優(yōu)缺及應(yīng)用。技術(shù)方案：用MATLAB語言對(duì)自動(dòng)控制中仿真對(duì)象的

8、前向通道的傳遞函數(shù) 反饋通道傳遞函數(shù) 繪制出系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖并分析。3. 預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 頻域分析法是應(yīng)用頻率特性研究控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法。頻率分析法主要包括三種方法：Bode圖（幅頻/相頻特性曲線）；Nyquist曲線。采用這些方法可直觀的表達(dá)。掌握MATLAB軟件應(yīng)用時(shí)十分重要的?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,是控制系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)時(shí)的性能,在很大程度上是由閉環(huán)系統(tǒng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)決定的,線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要取決于系統(tǒng)極點(diǎn)的位置.極點(diǎn)配置就是通過一個(gè)狀態(tài)反饋,使閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)配置在希望的位置上,從而使系統(tǒng)具有較滿意的性能.根軌跡與性能:穩(wěn)定性 根軌跡若越過虛軸進(jìn)入S右半面，與虛軸交點(diǎn)處的k極為臨

9、界增益穩(wěn)態(tài)性能 根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)的根數(shù)，確定系統(tǒng)的型別。同時(shí)可以確定對(duì)應(yīng)的誤差系數(shù)0k0.5閉環(huán)極點(diǎn)全部位于s左半面，與閉環(huán)零點(diǎn)無關(guān):閉環(huán)極點(diǎn)均遠(yuǎn)離虛軸，以使每個(gè)分量衰減更快閉環(huán)零點(diǎn)可以抵消或消弱附近閉環(huán)極點(diǎn)的作用。將MATLAB 軟件應(yīng)用到 該門課程教學(xué)中，可以解決深?yuàn)W繁瑣的計(jì)算，簡單、方便又精確的繪圖，并可以 用豐富多彩的圖形來說明抽象的控制原理，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。早期的校 正器設(shè)計(jì)利用試湊法，其計(jì)算量非常大，而且還要手工繪制系統(tǒng)的頻率特性圖， 很難達(dá)到滿意的結(jié)果。2 完成本課題的工作方案:認(rèn)真學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理、控制理論和過程控制等，熟悉MATLAB軟件，具有獨(dú)立學(xué)習(xí)鉆研、完成工作能力，掌握基本的有關(guān)線性系統(tǒng)可控性和可觀測(cè)性的條件以及設(shè)計(jì)方法，了解MATLAB軟件的基本操作方法，學(xué)會(huì)用MATLAB實(shí)現(xiàn)函數(shù)基本功能。 第一周：復(fù)習(xí)自動(dòng)控制理論以及過程控制等教材內(nèi)容，查找相關(guān)資料，了解控制理論的發(fā)展及應(yīng)用。第二周至第三周：查閱有關(guān)利用MATLAB進(jìn)行線性系統(tǒng)仿真的實(shí)例，學(xué)會(huì)基本應(yīng)用方法，完成開題報(bào)告。第四周至第六周：掌握根軌跡的超前和滯后校正以及方法。第七到第九周：給出校正的設(shè)計(jì)方法，利用MATL