自動控制原理課程設(shè)計報告

1、重慶大學(xué)城市科技學(xué)院自動控制原理課程設(shè)計報告課 題： 課題十六 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 六班 姓名學(xué)號： 羅一航（12153505） 劉梁國（12155618）指導(dǎo)教師： 賈渭娟設(shè)計日期： 2014.12.222014.12.29成 績：重慶大學(xué)城市科技學(xué)院電氣信息學(xué)院目錄1 設(shè)計目的12 設(shè)計要求23 實現(xiàn)過程33.1設(shè)計題目33.2 計算過程33.2.1 計算根軌跡圖33.2.2 計算Bode圖53.2.3 設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置63.2.4 給出校正裝置的傳遞函數(shù)73.2.5 畫出校正前，校正后幅頻特性圖73.2.6 畫出校正前、后開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖93.2.7 校正器對

2、系統(tǒng)性能的影響104 總結(jié)12參考文獻131自動控制原理課程設(shè)計任務(wù)書1 設(shè)計目的1）掌握控制系統(tǒng)設(shè)計與校正的步驟和方法。 （2）掌握對控制系統(tǒng)相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、剪切頻率、相角穿越頻率以及增益裕度的求取方法。 （3）掌握利用Matlab對控制系統(tǒng)分析的技能。熟悉MATLAB這一解決具體工程問題的標準軟件，能熟練地應(yīng)用MATLAB軟件解決控制理論中的復(fù)雜和工程實際問題，并給以后的模糊控制理論、最優(yōu)控制理論和多變量控制理論等奠定基礎(chǔ)。 （4）提高控制系統(tǒng)設(shè)計和分析能力。 （5）所謂校正就是在系統(tǒng)不可變部分的基礎(chǔ)上，加入適當?shù)男Ｕ考?，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標。校正方案主要有串聯(lián)校正、并聯(lián)校正、

3、反饋校正和前饋校正。確定校正裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的方法主要有兩類，分析法和綜合法。分 析法是針對被校正系統(tǒng)的性能和給定的性能指標，首先選擇合適的校正環(huán)節(jié)的 結(jié)構(gòu)，然后用校正方法確定校正環(huán)節(jié)的參數(shù)。在用分析法進行串聯(lián)校正時，校 正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)通常采用超前校正、滯后校正和滯后-超前校正這三種類型。超前校正通?？梢愿纳瓶刂葡到y(tǒng)的快速性和超調(diào)量，但增加了帶寬，而滯后校正可以改善超調(diào)量及相對穩(wěn)定度，但往往會因帶寬減小而使快速性下降。滯后-超前校正兼用兩者優(yōu)點，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計時設(shè)法限制它們的缺點。2 設(shè)計要求1前期基礎(chǔ)知識，主要包括MATLAB系統(tǒng)要素，MATLAB語言的變量與語句，MATLAB的矩陣和矩陣元素，

4、數(shù)值輸入與輸出格式，MATLAB系統(tǒng)工作空間信息，以及MATLAB的在線幫助功能等。 2控制系統(tǒng)模型，主要包括模型建立、模型變換、模型簡化，Laplace變換等等。 3控制系統(tǒng)的時域分析，主要包括系統(tǒng)的各種響應(yīng)、性能指標的獲取、零極點對系統(tǒng)性能的影響、高階系統(tǒng)的近似研究，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的求取。 4控制系統(tǒng)的根軌跡分析，主要包括多回路系統(tǒng)的根軌跡、零度根軌跡、純遲延系統(tǒng)根軌跡和控制系統(tǒng)的根軌跡分析。 5控制系統(tǒng)的頻域分析，主要包括系統(tǒng)Bode圖、Nyquist圖、穩(wěn)定性判據(jù)和系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。 6控制系統(tǒng)的校正，主要包括根軌跡法超前校正、頻域法超前校正、頻域法滯后校正以及

5、校正前后的性能分析。3 實現(xiàn)過程3.1設(shè)計題目設(shè)單位負反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)為1、手動畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。2、手動畫出未校正系統(tǒng)的Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。3、設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)達到下列指標：（1）靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv 5s-；（2）相位裕量 40（3）幅值裕量h 10dB。4、給出校正裝置的傳遞函數(shù)。5、用MATLAB分別畫出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。計算校正后系統(tǒng)的截止頻率c、相位裕量、穿越頻率x和幅值裕量h。6、用MATLAB分別畫出系統(tǒng)校正前、后開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進行分析。7、應(yīng)用所學(xué)的知識分析校正器對系統(tǒng)性能的影響。3.2 計算

6、過程3.2.1 計算根軌跡圖根軌跡圖計算：（1） ，。 有3條根軌跡。（2） ；。 3個無限零點。（3） 定軸上的分布，是根軌跡。（4） ， 舍去，由于第一、第四周期有值，所以閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖3-1手繪根軌跡3.2.2 計算Bode圖根據(jù)令。作出未校正的Bode圖。圖3-2手繪bode圖3.2.3 設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置（1）靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv 5s-1；（2）相位裕量 40（3）幅值裕量h 10dB。解：， 令上式，可求得。未校正前的相位裕量給出校正裝置的傳遞函數(shù)。故采用滯后校正裝置。取，故要求的相位裕量為。由關(guān)系可求出需要的，再由公式又取3.2.4 給出校正裝置的傳遞函數(shù)滯后校正裝置為

7、驗算：3.2.5 畫出校正前，校正后幅頻特性圖用MATLAB分別畫出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。num=10;den=1 3 2 0;G=tf(num,den)bode(G)圖3-3校正前的幅頻特性圖num=170 10;den=140 421 283 2 0;G=tf(num,den)bode(G)圖3-4校正后的幅頻特性圖G5=tf(170 10,140 421 283 2 0)Gm,Pm,wcg,wcp=margin(G5)GmdB=20*log10(Gm);Gm,Pm,wcg,wcp，截止頻率、相位裕量、穿越頻率、幅值裕量。3.2.6 畫出校正前、后開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖num

8、=10;den=1 3 2 0;G=tf(num,den)nyquist(G)圖3-5校正前的奈奎斯特圖num=170 10;den=140 421 283 2 0;G=tf(num,den)nyquist(G)圖3-6校正后的奈奎斯特圖對于最小相位系統(tǒng)，當時閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，當時，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。越靠近原點越穩(wěn)定。3.2.7 校正器對系統(tǒng)性能的影響系統(tǒng)校正就是在原有的系統(tǒng)中，有目的地增添一些裝置（或部件），人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)的性能得到改善，以滿足所要求的性能指標。根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中所處位置的不同，一般可分為串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。 串聯(lián)校正對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能的改善，效

9、果明顯，校正方法直觀、實用。但無法克服系統(tǒng)中元件（或部件）參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。 反饋校正能改變被包圍環(huán)節(jié)的參數(shù)、性能，甚至可以改變原環(huán)節(jié)的性質(zhì)。這一特點使反饋校正，能用來抑制元件（或部件）參數(shù)變化和內(nèi)、外擾動對系統(tǒng)性能的消極影響，有時甚至可取代局部環(huán)節(jié)。 在系統(tǒng)的反饋控制回路中加入前饋補償，可組成復(fù)合控制。只要參數(shù)選擇得當，則可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定，減小乃至消除穩(wěn)態(tài)誤差，但補償要適度，過量補償會引起振蕩。4 總結(jié)通過自動控制原理課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。這個方案使用了Matlab軟件，使我們有掌握了一個軟件的應(yīng)用。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就

10、迎刃而解了。 我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個原理的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多原理的功能。而且還可以記住很多東西。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末的課程設(shè)計對我們的作用是非常大的。 對我們而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。 在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次

11、課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多專業(yè)知識問題，通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 同時，在老師的身上我們學(xué)也到很多實用的知識，對給過我們幫助的所有同學(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！ 此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應(yīng)變。我想說，設(shè)計確實有些困難，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機會能有實踐的機會。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認為設(shè)計的工作有些枯燥，但我認為無論干什么，只要認真去做，一定會有好結(jié)果的。 在此，感謝于老師的細心指導(dǎo)，也同樣謝謝其他各組同學(xué)的無私幫助。參考文獻1 史國生主編. 電氣控制與