能力拓展訓練

1、武漢理工大學自動控制原理課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 自動化學院 題 目: 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 控制系統(tǒng)性能指標為調(diào)節(jié)時間，單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，相角裕度大于85度。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計一個控制器，使系統(tǒng)滿足上述性能指標；（2） 畫出系統(tǒng)在校正前后的奈奎斯特曲線和波特圖；（3） 用Matlab畫出上述每種情況的階躍響應(yīng)曲線，并根據(jù)曲線分析系統(tǒng)的動態(tài)性能指標；（4） 對上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過

2、程，給出響應(yīng)曲線，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務(wù)處標準書寫。時間安排：（1） 課程設(shè)計任務(wù)書的布置，講解 （一天）（2） 根據(jù)任務(wù)書的要求進行設(shè)計構(gòu)思。（一天）（3） 熟悉MATLAB中的相關(guān)工具（一天）（4） 系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析。（四天）（5） 撰寫說明書。 （兩天）（6） 課程設(shè)計答辯（一天）指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日武漢理工大學自動控制原理課程設(shè)計說明書摘 要根據(jù)被控對象及給定的技術(shù)指標要求，設(shè)計自動控制系統(tǒng)，既要保證所設(shè)計的系統(tǒng)有良好的性能，滿足給定技術(shù)指標的要求，還有考慮方案的可靠性和經(jīng)濟性。本說明書介紹

3、了在給定的技術(shù)指標下，對飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計。為了達到給定要求，主要采用了串聯(lián)之后超前校正。在對系統(tǒng)進行校正的時候，采用了基于波特圖的串聯(lián)之后超前校正，對系統(tǒng)校正前后的性能作了分析和比較，并用MATLAB進行了繪圖和仿真。對已校正系統(tǒng)的高頻特性有要求時，采用頻域法校正較其他方法更為方便。關(guān)鍵詞：飛行器 控制系統(tǒng) 校正 MATLAB目錄1串聯(lián)之后超前校正的原理42飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計過程42.2系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定情況52.2.1校正前系統(tǒng)的伯特圖52.2.2校正前系統(tǒng)的奈奎斯特曲線52.2.3校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線62.3.1確定校正網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)82.3.2驗證已校正系統(tǒng)的性能指標92.4

4、.1校正前后的伯特圖112.4.2校正前后的奈奎斯特曲線122.4.3校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線133設(shè)計總結(jié)與心得體會15參考文獻16飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計1串聯(lián)之后超前校正的原理如果系統(tǒng)設(shè)計要求滿足的性能指標屬頻域特征量，則通常采用頻域校正方法。在開環(huán)系統(tǒng)對數(shù)頻率特性基礎(chǔ)上，以滿足穩(wěn)態(tài)誤差、開環(huán)系統(tǒng)截止頻率和相角裕度等要求為出發(fā)點，進行串聯(lián)校正的方法。在伯德圖上雖然不能嚴格定量的給出系統(tǒng)的動態(tài)性能，但卻能方便地根據(jù)頻域指標確定校正裝置的形式和參數(shù)，特別是對已校正系統(tǒng)的高頻特性有要求時，采用頻域法校正其他方法更方便。串聯(lián)滯后超前校正兼有滯后校正和超前校正的優(yōu)點，當待校正系統(tǒng)不穩(wěn)定，且要求校正后系

5、統(tǒng)的響應(yīng)速度 相角裕度和穩(wěn)態(tài)精度要求較高時，應(yīng)采用串聯(lián)滯后超前校正。其基本原理是利用滯后超前網(wǎng)絡(luò)的超前部分來增大系統(tǒng)的相角裕度，同時利用之后部分來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。串聯(lián)滯后超前校正的設(shè)計步驟如下:(1)根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能要求確定開環(huán)增益K。(2)繪制待校正系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性曲線，求出待校正系統(tǒng)的截止頻率，相角裕度及幅值裕度h(dB)。(3)根據(jù)時域與頻域的關(guān)系，按要求指標求出校正后截止頻率。（4）過點作斜率為-20db/dec的直線向左延伸至0.1時，斜率變?yōu)?40db/dec與未校正前的伯特圖相交于點w，然后斜率再轉(zhuǎn)為-20db/dec，即時與原伯特圖重合這樣可以保證穩(wěn)態(tài)誤差值合乎要求。過點作斜

6、率為-20db/dec的直線隨著w增大直到時斜率變?yōu)?40db/dec，選取要考慮相角裕度滿足要求。即可作出校正后的伯特圖。（5）根據(jù)上面的可以寫出校正傳遞函數(shù)。(6)校驗已校正系統(tǒng)的各項性能指標。根據(jù)滯后超前校正的原理和步驟，可以在純超前校正及純滯后校正都不宜采用時，對系統(tǒng)進行串聯(lián)滯后超前校正。2飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計過程2.1飛行器控制系統(tǒng)的性能指標飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 控制系統(tǒng)性能指標為調(diào)節(jié)時間0.008s，單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，相角裕度大于85度。根據(jù)單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，可以得出 2.2系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定情況2.2.1校正前系統(tǒng)的伯特圖根據(jù)原有的飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

7、，在MATLAB中繪制出校正前的波特圖，如圖2-1所示。繪制校正前伯特圖的MATLAB源程序如下：num=815350;den=1,361.2,0; %校正前系統(tǒng)參數(shù)bode(num,den); %繪制伯特圖grid;2.2.2校正前系統(tǒng)的奈奎斯特曲線根據(jù)原有的飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，在MATLAB中繪制出校正前的奈奎斯特曲線， num=815350;den=1,361.2,0; %校正前系統(tǒng)參數(shù)nyquist(num,den) %繪制奈奎斯特曲線圖2-1 系統(tǒng)校正前的伯特圖圖2-2 系統(tǒng)校正前的奈奎斯特曲線2.2.3校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線校正前系統(tǒng)的單位反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為 用MA

8、TLAB繪制系統(tǒng)校正前的的單位階躍響應(yīng)曲線如圖2-3所示。MATLAB源程序如下所示:num=815350;den=1,361.2,815350; %校正前系統(tǒng)參數(shù)step(num,den) %繪制階躍響應(yīng)曲線圖2- 3系統(tǒng)校正前的單位階躍響應(yīng)曲線2.3飛行器控制系統(tǒng)的串聯(lián)滯后超前校正2.3.1確定校正網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)num=815350; den=1,361.2,0; %系統(tǒng)校正前的參數(shù)mag,phase,w=bode(num,den)gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w) %求系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定裕度運行后，得出相角裕度pm=22.7°，截止頻率wcp=86

9、7rad/s。由此可得，若采用超前校正，需補償超前角為 顯然一級串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)不能達到要求。又由于要求校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度、相角裕度要求較高，所以采用串聯(lián)滯后超前校正。由高階系統(tǒng)頻域指標與時域的關(guān)系，有如下的公式 令得出校正以后系統(tǒng)的截止頻率為通過點作-20dB/dec斜率的直線，該直線隨增加直至與原系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線相交于99490.3時轉(zhuǎn)成斜率等于-40dB/dec的直線，為了保證已校正系統(tǒng)中頻段斜率為-20db/dec的直線有一定長度，該特性的左端可延伸到78.6處，然后轉(zhuǎn)成斜率為-40db/dec的直線交于原特性29.69。當時，完全與原特性重合。這樣選擇希望特性的交接頻率，可確保

10、校正裝置傳遞函數(shù)簡單，便于實現(xiàn)。 則校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 已校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 2.3.2驗證已校正系統(tǒng)的性能指標根據(jù)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，驗證校正后系統(tǒng)佝相角裕度。編寫MATLAB源程序如下:num=10373.41,815350; den=0.00012228,12.169,361.2,0; %校正后系統(tǒng)參數(shù)mag,phase,w=bode(num,den)gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w) %求系統(tǒng)校正后的穩(wěn)定裕度運行后得出校正后系統(tǒng)的相角裕度pm=86.23°，符合給定的相位裕度要求。num=10373.41,815350; den=

11、0.00012228,12.169,361.2,0; %校正后系統(tǒng)參數(shù)bode(num,den)grid %繪制校正后的波特圖編寫MATLAB程序，繪制已校正系統(tǒng)的奈奎斯特曲線，如圖2-5所示。相應(yīng)的MATLAB源程序如下:num=10373.41,815350; den=0.00012228,12.169,361.2,0; %校正后系統(tǒng)參數(shù)nyquist(num,den) %繪制校正后的余奎斯特曲線圖2-4 系統(tǒng)校正后的波特圖圖2-5 系統(tǒng)校正后的奈奎斯特曲線編寫MATLAB程序，繪制已校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，如圖2-6所示。相應(yīng)的MATLAB源程序如下:num=10373.41,815

12、350; den=0.00012228,12.169,10734.61,815350; %校正后系統(tǒng)參數(shù)step(num,den)grid %繪制校正后的單位階躍響應(yīng)圖2-6校正后的單位階躍響應(yīng)曲線2.4系統(tǒng)校正前后的性能比較2.4.1校正前后的伯特圖確定了校正網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)，經(jīng)過驗證已校正系統(tǒng)的技術(shù)指標，基本達到標準后，可以將校正前后性能指標進行對比。校正之后的系統(tǒng)有足夠大的相位裕度。在中頻段產(chǎn)生了足夠大的超前相角，以補償原系統(tǒng)過大的滯后相角。繪制圖2-7的MATLAB源程序如下：num=815350;den=1,361.2,0; gl=tf(num,den); %生成校正前系統(tǒng)的傳遞函數(shù)n

13、um1=10373.41,815350;den2=0.00012228,12.169,361.2,0; g2=tf(num1,den1); %構(gòu)造校止后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)bode(gl,g2)grid %繪制伯特圖圖2-7校正前后波特圖對比2.4.2校正前后的奈奎斯特曲線num=815350;den=1,361.2,0;g1=tf(num,den); %生成校正前系統(tǒng)的傳遞函數(shù)num1=10373.41,815350;den1=0.00012228,12.169,361.2,0; g2=tf(num1,den1); %構(gòu)造校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)nyquist(g1,g2)grid %繪制奈奎斯特圖系

14、統(tǒng)校正前后的奈奎斯特曲線如圖2-8所示。綠色曲線是已校正系統(tǒng)的奈奎斯特圖，藍色曲線是未校正系統(tǒng)的奈奎斯特圖。圖2-8校正前后的奈氏曲線對比2.4.3校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線為了便于分析系統(tǒng)存校正前后的動態(tài)性能，可以把校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線繪制在一起。繪制校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線的MATLAB程序如下：num=815350;den=1,361.2,815350;g1=tf(num,den) %生成校止前系統(tǒng)的傳遞函數(shù)num1=10373.41,815350;den1=0.00012228,12.169,10734.61,815350; g2=tf(num1,den1) %構(gòu)造校正后系

15、統(tǒng)的傳遞函數(shù)step(g1, b-,g2, r-)grid %繪制單位階躍響應(yīng)曲線校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖2-9所示。從圖中可以看出，校正后系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間達到了指定的要求，而且響應(yīng)速度比校正前的加快了。圖2 9校正前后單位階躍響應(yīng)曲線對比3設(shè)計總結(jié)與心得體會通過這次自動控制原理的課程設(shè)計，讓我對串聯(lián)滯后超前校正的原理和步驟有了深刻的印象。剛看到題目的時候，覺得只是道校正的題目，不用做實物，以為會很簡單，但經(jīng)過幾天的計算、編程、畫圖，我才發(fā)現(xiàn)，原來把理論知識靈活地用到實際的設(shè)計中，有一定的難度。在用MATLAB繪圖時，一些由于粗心大意造成的標點、括號出錯的問題也有發(fā)生。雖然最后都得到了改正，但從中我認