自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)目 錄一、 引言.1二、 自動(dòng)控制的相關(guān)概念.1三、 課程設(shè)計(jì)目的.2四、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求.3五、 課程設(shè)計(jì)題目 .3六、 未校正系統(tǒng)分析.4七、 校正裝置設(shè)計(jì).6八、 校正裝置電路仿真.10九、 總結(jié)與心得11十、 參考文獻(xiàn)12一、 引言自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空及航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極大地提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們地勞動(dòng)環(huán)境，豐富和提高了人民地生活水平。在今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)化裝置無處不在，為人類文明進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)：20世紀(jì)90年代，實(shí)現(xiàn)了萬米深海探測(cè)；通信和金融業(yè)已接近全面自動(dòng)化；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡為研究宇宙提供了前所未有的機(jī)會(huì)；20

2、04年美國(guó)研制的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器完成了火星表面的實(shí)地探測(cè)。在控制技術(shù)需求推動(dòng)下，控制理論本身也取得了顯著進(jìn)步。從線性近似到非線性系統(tǒng)的研究取得了新的成就，借助微分幾何的固有非線性框架來研究非線性系統(tǒng)的控制，已成為目前重要的研究方向之一;離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的形成，擴(kuò)展了對(duì)離散系統(tǒng)的描述和分析能力；分布參數(shù)系統(tǒng)的研究又有了新的突破；不定性h控制及系統(tǒng)對(duì)外擾的魯棒性分析和設(shè)計(jì)已擴(kuò)展到無窮維空間。實(shí)踐證明，系統(tǒng)或參數(shù)識(shí)別技術(shù)對(duì)加工隨機(jī)信息具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。自適應(yīng)自校正自組織系統(tǒng)的研究和應(yīng)用又有新的發(fā)展。為了適應(yīng)控制技術(shù)和控制理論發(fā)展形勢(shì)的需要，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來說，掌握和運(yùn)用自動(dòng)控制

3、原理尤為重要。而課程設(shè)計(jì)正是考驗(yàn)學(xué)生掌握自動(dòng)控制原理內(nèi)容的重要環(huán)節(jié)，要想做好課程設(shè)計(jì)就要理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。要提高控制質(zhì)量，就必須對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能提出一定的具體要求。盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)有不同的類型，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)都有不同的特殊要求。但總的說來，都是希望設(shè)計(jì)的控制過程盡量接近理想的控制過程。工程上常常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面來評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體精度。1.穩(wěn)指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。穩(wěn)定性指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。平穩(wěn)性指過渡過程振蕩的振幅與頻率。即被控量圍繞給定值擺動(dòng)的

4、幅度和擺動(dòng)的次數(shù)。好的過渡過程擺動(dòng)的幅度要小，擺動(dòng)的次數(shù)要少。2.快是指控制系統(tǒng)的快速性，即過渡過程繼續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。3.準(zhǔn)是指系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）對(duì)給定值的偏差而言，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是痕量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好。由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求各有側(cè)重。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求常常是相互制約的。過分提高過程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。

5、如何分析和解決這些矛盾，將是本課題研究的主要內(nèi)容。二、 自動(dòng)控制的相關(guān)概念1. 含義所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。2. 控制系統(tǒng)類型（1） 開環(huán)控制系統(tǒng)只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而，我們將它稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loopcontrolsystem）。開環(huán)控制系統(tǒng)可用下圖表示。開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因

6、素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢瑧?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，開環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。（2） 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（close-loopcontrolsystem）又稱反饋控制系統(tǒng)（feedbackcontrolsystem），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制

7、作用，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開環(huán)控制相比，對(duì)參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點(diǎn)但是引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問題。3. 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成被控對(duì)象（或過程）又稱控制對(duì)象或受控對(duì)象，指需要對(duì)它的某個(gè)特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。被控對(duì)象的輸出變量是被控變量，常常記作或。被控對(duì)象除了受到控制作用外，還受到外部擾動(dòng)作用。給定元件其作用是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的

8、系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測(cè)量反饋元件如傳感器和測(cè)量?jī)x表，感受或測(cè)量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件也叫補(bǔ)償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)控制閥等。三、 課程設(shè)計(jì)的目的1培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用經(jīng)典控制理論和相關(guān)課程知識(shí)的能力。2掌握自動(dòng)控制原理的時(shí)域分析法，根軌跡法，頻域分析法，以及各種補(bǔ)償（

9、校正）裝置的作用及用法，能夠利用不同的分析法對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，能根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標(biāo)。3學(xué)會(huì)使用matlab語言及simulink動(dòng)態(tài)仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真與調(diào)試。4學(xué)會(huì)使用硬件仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。5鍛煉獨(dú)立思考和動(dòng)手解決控制系統(tǒng)實(shí)際問題的能力。四、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及其要求1給出有實(shí)際背景的數(shù)學(xué)模型，分別提出不同的設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。學(xué)生通過查閱相關(guān)資料，根據(jù)各自題目確定合理的控制方式及校正形式，完成設(shè)計(jì)。2學(xué)生首先要根據(jù)所學(xué)自動(dòng)控制原理課程知識(shí)（時(shí)域分析法、頻率法和根軌跡法）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求進(jìn)行人工設(shè)計(jì)校正裝置，

10、初步設(shè)計(jì)出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)。3利用matlab語言及simulink動(dòng)態(tài)仿真工具，在計(jì)算機(jī)上對(duì)人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求，并繪制打印出仿真框圖、頻率特性圖及動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖。4確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)。5完成設(shè)計(jì)報(bào)告五、課程設(shè)計(jì)題目已知開環(huán)傳遞函數(shù)為：gs=ks0.05s+1(0.25s+1) ，要求系統(tǒng)參數(shù)為：1) ，2) ，3) 。六、未校正系統(tǒng)分析未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳函為gs=ks0.05s+1(0.25s+1)1.根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳函可知，系統(tǒng)沒有零點(diǎn)；開環(huán)極點(diǎn)為：p1=0,p2=-4,p3=-20。圖6-1 開環(huán)傳函的零極點(diǎn)圖圖6-2 系統(tǒng)的根軌跡2.作出系統(tǒng)的

11、根軌跡（1）實(shí)軸上的根軌跡：-,-20, -4,0；（2）漸近線：a=60,180或-60；交點(diǎn)：a=-8 ；（3）分離點(diǎn)：由1d+1d+4+1d+20=0,解得d=-1.89；則系統(tǒng)根軌跡如圖6-2。3.隨著系統(tǒng)根軌跡增益變化的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析（1）穩(wěn)定性由系統(tǒng)開環(huán)傳函克制閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為ds=ss+4s+20+k*=s3+24s2+80s+k*=0令s=j,將其代入上式得 (j)3+24(j)2+80j+k*=0即80-3=0k*-242=0 . 由于0，故可解得 =45k*=80k=1920則當(dāng)k* 1 rad/s，算出待校正系統(tǒng)的相角裕度為=180-90-arctan0.05c-ar

12、ctan0.25c|c=4.91=25.3940（2）由要求的 選擇 c 。選取c=-6,而要求=40；于是c=-c=46 。由 =90-arctan0.05c-arctan0.25c ，解得校正后系統(tǒng)的截止頻率c=2.8840 rad/s（3）確定滯后網(wǎng)絡(luò)參數(shù)b和t。當(dāng)c=2.8840 rad/s時(shí)，由圖6-3可測(cè)得lc=2.2270db , 再由20lgb=-lc，解得b=0.4490。令1bt=0.1c,求得 t=7.7220s 。于是串聯(lián)滯后校正網(wǎng)絡(luò)的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線lc()如圖6-5所示，其傳遞函數(shù)為gcs=1+bts1+ts=3.467 s + 17.722 s + 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞

13、函數(shù)為gos=2219 s + 6407.722s4+186.3s3+641.8s2+80s圖6-3 待校正系統(tǒng)的開環(huán)bode圖圖6-5 校正后系統(tǒng)的開環(huán)bode圖 圖6-6 待校正系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)圖6-7校正后系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)（3） 驗(yàn)算性能指標(biāo)=180+ 40圖6-5 系統(tǒng)校正前后開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性圖（4）matlab驗(yàn)算性能指標(biāo)幅頻裕度h（db）相角裕度()穿越頻率x (rad/s)截止頻率c (rad/s)待校正3.000025.38988.94434.9083校正后6.361042.77048.72852.8923設(shè)計(jì)要求401 rad/s(5)程序名:abc.mg=tf(640,1 24 8

14、0 0)%未校正系統(tǒng)傳遞函數(shù)h,r,wx,wc=margin(g)%計(jì)算未校正系統(tǒng)穩(wěn)定裕度性能指標(biāo)figure(1),gridmargin(g);%未校正系統(tǒng)穩(wěn)定裕度圖w=2.8840%相角裕度滿足w=46時(shí)的截止頻率lw=bode(g,w)%計(jì)算出在原來系統(tǒng)bode上w=2.8840時(shí)，開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值大小b=1/lw%根據(jù)20*lg(b)+20*lg(lw)=0;求出b；t=1/(b*0.1*w)%根據(jù)1/bt=0.1*w求出t；gc=tf(b*t 1,t 1)%由bt值可得到，無源滯后網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)gcgo=gc*g%由無源滯后網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)gc和開環(huán)傳遞函數(shù)g可得校正后開環(huán)傳遞函數(shù)goh

15、1,r1,wx1,wc1=margin(go)%計(jì)算校正后系統(tǒng)的相角裕度，幅值裕度，截止頻率，穿越頻率figure(2),gridmargin(go)%校正系統(tǒng)穩(wěn)定裕度圖figure(3),gridbode(g,r-,go,b)%校正系統(tǒng)與未校正系統(tǒng)的bode圖figure(4),gridsys1=feedback(g,1)%未校正系統(tǒng)的單位負(fù)反饋閉環(huán)傳函step(sys1)%未校正系統(tǒng)的閉環(huán)傳函階躍響應(yīng)figure(5),gridsys2=feedback(go,1)%校正系統(tǒng)的單位負(fù)反饋閉環(huán)傳函step(sys2)%校正系統(tǒng)的閉環(huán)傳函階躍響應(yīng)simulink動(dòng)態(tài)仿真圖：結(jié)構(gòu)圖由受控對(duì)象、校

16、正模塊、求和器sum以及信號(hào)單元step fun和顯示單元scope組成。圖6-6 用simulink仿真的校正后階躍響應(yīng)曲線由上圖可知，響應(yīng)曲線為穩(wěn)定在y=1的平滑曲線。系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，響應(yīng)速度較快。八、校正裝置電路仿真根據(jù)選用的裝置，使用multisim電路設(shè)計(jì)仿真軟件（或其他硬件電路仿真軟件）繪畫模擬電路。求此系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。分析采用的校正裝置的效果。校正前的multisim電路仿真：圖8-1未校正前的電路模擬設(shè)計(jì)校正后的multisim電路仿真：圖8-2加上校正網(wǎng)絡(luò)的電路圖圖8-3校正后波形九、總結(jié)與心得本次課程設(shè)計(jì)，不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。

17、在設(shè)計(jì)過程中，我們通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，一步一步分析和研究。在設(shè)計(jì)和分析過程中遇到不少問題，首先是因?yàn)閷?duì)知識(shí)有所遺忘，matlab軟件使用又比較陌生，不僅要復(fù)習(xí)自動(dòng)控制原理的知識(shí)，還要學(xué)習(xí)各種軟件的使用。另外在硬件仿真方面，由于在以前的學(xué)習(xí)過程中都比較忽視，只重視理論，因此，會(huì)讓我們有點(diǎn)不知所措，但通過在網(wǎng)上搜索并與其他同學(xué)交流討論。學(xué)會(huì)了硬件的設(shè)計(jì)，然后通過學(xué)習(xí)使用multisim電路設(shè)計(jì)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)校正前后的對(duì)比，得出我們的設(shè)計(jì)是符合要求的。經(jīng)過這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，我們掌握和鞏固了自動(dòng)控制原理所學(xué)的基本知識(shí)。同時(shí)，做完此項(xiàng)設(shè)計(jì)后，我們懂得了除了具有對(duì)本課程的基礎(chǔ)知識(shí)以及不同知識(shí)之間的聯(lián)系有一定程度的掌握外，還要認(rèn)真聽取并