自動控制原理課程設(shè)計(室溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計)

1、室溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計 一 、設(shè)計目的 通過課程設(shè)計，在掌握自動控制理論基本原理、一般電學(xué)系統(tǒng)自動控制方法的基礎(chǔ)上，用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。 二、設(shè)計要求 收集和查閱有關(guān)技術(shù)資料，獨立完成所承擔(dān)的設(shè)計課題的全部內(nèi)容，初步掌握設(shè)計原則、設(shè)計方法、設(shè)計步驟和設(shè)計規(guī)范的應(yīng)用；對工程設(shè)計方案進行選擇和分析；繪制設(shè)計圖；撰寫說明書。要求如下：1、 根據(jù)所學(xué)控制理論知識(頻率法、根軌跡法等)進行人工設(shè)計校正裝置，初步設(shè)計出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)；2、 使用MATLAB和Simulink，對加入的校正裝置的系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，并在計算機上對人工設(shè)計系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；3、 確

2、定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)（選作）；4、 完成設(shè)計報告。 三、設(shè)計任務(wù)已知某室溫控制系統(tǒng)為單位負反饋，某開環(huán)傳遞函數(shù)為：，試用Bode圖設(shè)計法對系統(tǒng)進行滯后串聯(lián)校正設(shè)計，使系統(tǒng)滿足; 系統(tǒng)在斜坡信號作用下，系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)30 系統(tǒng)校正后的剪切頻率2.3 系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量2.2設(shè)計要求 分析設(shè)計要求，說明校正的設(shè)計思路（滯后校正分析 詳細設(shè)計（包括的圖形有：校正結(jié)構(gòu)圖，校正前系統(tǒng)的Bode圖，校正裝置的Bode圖，校正后系統(tǒng)的Bode圖） 用MATLAB編程代碼及運行結(jié)果（包括圖形、運算結(jié)果） 校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖。三、設(shè)計方法步驟及設(shè)計校正構(gòu)圖3.1校正前系統(tǒng)分析校正

3、前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 設(shè)計校正要求： 30，2.3，因為=，所以所以，原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋?利用MATLAB繪畫未校正系統(tǒng)的Bode圖,見圖1在MATLAB中編寫如下程序：num = 30;f1 = 1,0;f2 =0.1,1;f3 = 0.2,1;den = conv(f1,conv(f2,f3);bode(num,den)原系統(tǒng)Bode圖圖1利用MATLAB繪制未校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，見圖2在MATLAB中編寫如下程序：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:

4、10; step(G1,t); grid xlabel('t');ylabel('c(t)'); title('原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)');階躍響應(yīng)曲線為：圖2由圖1可以看出，相角欲度，此時系統(tǒng)的相角裕度不符合要求，故該系統(tǒng)需要校正。由于校正前系統(tǒng)已有一定的相角欲度，因此可以考慮引入串聯(lián)滯后校正裝置以滿足相角欲度的要；由圖2系統(tǒng)在階躍輸入下是不能穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)的動態(tài)性能不佳。3.2校正方法根據(jù)系統(tǒng)的性能，決定采用串聯(lián)滯后校正。在MATLAB中設(shè)計滯后網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開環(huán)增益K因為=，所以（2）利用確定的開環(huán)增益并在MATL

5、AB中繪制原系統(tǒng)Bode圖（見圖1），讀出原系統(tǒng)的相角裕度。（3）確定校正后的系統(tǒng)剪切頻率。在此頻率上開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕量應(yīng)等于要求的相位裕量再加上（）補償滯后校正網(wǎng)絡(luò)本身在處的相位滯后?，F(xiàn)要求校正后系統(tǒng)的相位裕量，為了補償滯后校正網(wǎng)絡(luò)本身的相位滯后，需要再加上的補償角，所以取 （補償角?。┰贐ode圖（圖1）上可找得，在附近的相位角等于（即相位裕量為），故取此頻率為校正后系統(tǒng)的增益剪切頻率。即： （4）求值。確定原系統(tǒng)頻率特性在處的幅值下降到0dB時所必需的衰減量=20Lg，求取值。由圖1得原系統(tǒng)在處的頻率增益為21.2dB，為了保證系統(tǒng)的增益剪切頻率處，滯后校正裝置應(yīng)產(chǎn)生21.2dB的衰

6、減量：=21.2dB，即 20=20Lg （5）選取T值。為了使滯后校正裝置產(chǎn)生的相位滯后對校正后系統(tǒng)的增益剪切頻率處的影響足夠小，應(yīng)滿足，一般取=10/T 取T=10/=4.35（6）確定滯后校正裝置的傳遞函數(shù) 利用MATLAB 繪畫校正裝置的bode圖，見圖3在MATLAB中編寫如下程序：G=tf(4.35 1,52.2 1);figure(1)margin(G); gridgm,pm,wg,wp=margin(G);title('校正裝置');校正裝置Bode圖如下：圖33.3校正裝置采用RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無源滯后校正裝置如下圖：其傳遞函數(shù)為：其中,（），由校正裝置傳遞函數(shù)得如

7、下關(guān)系：=12，即=4.35選取適當(dāng)?shù)那覞M足兩關(guān)系式的參數(shù)值即可確定校正裝置。3.4校正后系統(tǒng)分析經(jīng)超前校正后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：(1) 利用MATLAB 繪畫系統(tǒng)校正前、后的bode圖（見圖4）及校正前、后系統(tǒng)對單位階躍響應(yīng)（見圖5）的對比在MATLAB中編寫如下程序：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 = -sp

8、line(w',magdb(1,:),wcg);alpha = 10(gr/20);T = 10/(alpha*wcg);gc = tf(alpha* T 1,T 1);F0 = feedback(g0,1);F = feedback(g0*gc,1);figure(1);bode(g0,g0*gc);figure(2);step(F0,F);校正前、后系統(tǒng)的Bode圖對比：圖4校正前、后系統(tǒng)對單位階躍響應(yīng)對比：, 圖5四、在MATLAB下，用Simulink進行動態(tài)仿真在Simulink仿真環(huán)境下采用串聯(lián)滯后校正，校正前結(jié)構(gòu)圖（見圖6），對原系統(tǒng)仿真，得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（見圖7）見圖6校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：圖7由圖7可看出，系統(tǒng)對單位階躍響應(yīng)的輸出極不穩(wěn)定，系統(tǒng)不能滿足設(shè)計要求，需要對系統(tǒng)進行校正。在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上串加上環(huán)節(jié)進行滯后校正，校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（見圖8），對校正后系統(tǒng)仿真，得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（見圖9）圖8校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線:圖9由圖9可看出，系統(tǒng)對單位階躍響能夠穩(wěn)定的應(yīng)輸出，系統(tǒng)的最大超調(diào)量在25%左右，過渡時間在2.5s附近，對于本溫度控制系統(tǒng)以上參數(shù)是滿足要求的。五、總結(jié)由上分析可知：在滯后校正中，利用的是滯后校正網(wǎng)絡(luò)在高頻段的衰減特性。