轉(zhuǎn)子繞線機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 轉(zhuǎn)子繞線機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。 初始條件：已知轉(zhuǎn)子繞線機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差為，相角裕度。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）（1） 作出滿足初始條件的最小K值的系統(tǒng)伯德圖，計(jì)算系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度。（2） 前向通路中插入一相位滯后校正，確定校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。（3） 畫(huà)出未校正和已校正系統(tǒng)的根軌跡，并進(jìn)行性能指標(biāo)分析。（4） 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中要求寫(xiě)清楚計(jì)算分析的過(guò)程，列出MATLAB程序和MATL

2、AB輸出。說(shuō)明書(shū)的格式按照教務(wù)處標(biāo)準(zhǔn)書(shū)寫(xiě)。時(shí)間安排： 任務(wù)時(shí)間（天）指導(dǎo)老師下達(dá)任務(wù)書(shū)，審題、查閱相關(guān)資料2分析、計(jì)算2編寫(xiě)程序1撰寫(xiě)報(bào)告2論文答辯1指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要11串聯(lián)滯后校正21.1RC滯后網(wǎng)絡(luò)21.2串聯(lián)滯后校正的作用21.3滯后校正的設(shè)計(jì)步驟22 控制系統(tǒng)校正前分析32.1 用matlab做出校正前系統(tǒng)的伯德圖32.1.1 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)32.1.2 matlab軟件求出未校正系統(tǒng)的伯德圖33 控制系統(tǒng)滯后校正分析設(shè)計(jì)43.1 理論計(jì)算43.2 采用matlab工具進(jìn)行串聯(lián)滯后校正設(shè)計(jì)64 系統(tǒng)校正前后伯德圖對(duì)比75 利用

3、階躍響應(yīng)曲線對(duì)校正前后系統(tǒng)進(jìn)行分析106 串聯(lián)滯后校正的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件116.1串聯(lián)滯后校正的優(yōu)缺點(diǎn)116.2 串聯(lián)滯后校正的適用條件12心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)14本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表15摘要自動(dòng)控制技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最快、影響最大的技術(shù)之一，也是21世紀(jì)最重要的高技術(shù)之一。今天，技術(shù)、生產(chǎn)、軍事、管理、生活等各個(gè)領(lǐng)域，都離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)。就定義而言，自動(dòng)控制技術(shù)是控制論的技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，是通過(guò)具有一定控制功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)，來(lái)完成某種控制任務(wù)，保證某個(gè)過(guò)程按照預(yù)想進(jìn)行，或者實(shí)現(xiàn)某個(gè)預(yù)設(shè)的目標(biāo)?，F(xiàn)如今可以運(yùn)用matlab等軟件，進(jìn)行比較方便快捷的校正，先用分析法計(jì)算出校正的參數(shù)，再根據(jù)ma

4、tlab已有的函數(shù)來(lái)進(jìn)行校正，可以得到要求的系統(tǒng)。關(guān)鍵字：自動(dòng)控制技術(shù) 校正 matlab1串聯(lián)滯后校正1.1RC滯后網(wǎng)絡(luò)RC超前網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 (1)式中 (2)1.2串聯(lián)滯后校正的作用利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性，使已校正系統(tǒng)的截止頻率下降，從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。另外，滯后校正有利于提高低頻段的增益，減小穩(wěn)態(tài)誤差。滯后校正具有如下特點(diǎn)： （1）利用校正裝置的高頻幅值衰減特性改善了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量，對(duì)校正裝置相角滯后特性的影響忽略不計(jì)。（2）從對(duì)數(shù)幅頻曲線看，校正后的截止頻率c比校正前的c0提前，因此，系統(tǒng)的快速性降低，提高了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。（3）

5、為了保證校正裝置的滯后相角不影響系統(tǒng)的相位裕量，其最大滯后相角應(yīng)避免出現(xiàn)在校正后的截止頻率c附近。為了做到這一點(diǎn)，校正網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率1/T和 1/bT均應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)離截止頻率的低頻段。（4）校正后系統(tǒng)的幅頻特性曲線在高頻段衰減大，可以提高系統(tǒng)抗高頻干擾能力。1.3滯后校正的設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定原系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益K。（2）利用已確定的開(kāi)環(huán)增益K，畫(huà)出未校正系統(tǒng)的伯德圖，計(jì)算未校正系統(tǒng)的相角裕量0和幅值裕量h0。 （3）若相角裕量和幅值裕量不滿足指標(biāo)，則根據(jù)指標(biāo)要求的相角裕量，在未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)相頻曲線上確定相角滿足下式的點(diǎn)： 選擇該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率作為校正后的截止頻率 c。（4）計(jì)

6、算未校正幅頻曲線在0處的分貝值并且令 ，可求出b的值。（5）為減小校正裝置相角滯后特性的影響，滯后網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率=1/bT（對(duì)應(yīng)零點(diǎn)）應(yīng)低于c110倍頻程，一般取1/bT=0.1c，可求出T.（6）確定校正裝置的傳遞函數(shù)（7）驗(yàn)算校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)。2 控制系統(tǒng)校正前分析2.1 用matlab做出校正前系統(tǒng)的伯德圖2.1.1 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下：化成時(shí)間常數(shù)形式如下：2.1.2 matlab軟件求出未校正系統(tǒng)的伯德圖使用MATLAB軟件可直接得到系統(tǒng)的BODE圖和相角,幅值裕度。程序的代碼如下：n=500d=1,15,50,0g1=tf(n,d)mag,phase,w=

7、bode(g1)margin(g1)由圖可知，此時(shí)截止頻率Wc=5.72rad/s,相位裕度Pm=11.4°，相位穿越頻率Wg=7.07rad/s,幅值裕度GM=3.52dB。3 控制系統(tǒng)滯后校正分析設(shè)計(jì)3.1 理論計(jì)算（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定原系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益K。K=2（2）利用已確定的開(kāi)環(huán)增益K，畫(huà)出未校正系統(tǒng)的伯德圖，計(jì)算未校正系統(tǒng)的相角裕量0和幅值裕量h0。 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是：穩(wěn)態(tài)工作誤差所以得到K值為：K=500相角裕度：因?yàn)樵诖┰筋l率=1，解得c5.72rad/s穿越頻率處的相角為：幅值裕度：解得：所以，幅值裕度為: （3）若相角裕量和幅值裕量不滿足指標(biāo)，則根據(jù)指

8、標(biāo)要求的相角裕量，在未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)相頻曲線上確定相角滿足下式的點(diǎn)： 此時(shí)c1.7rad/s（4）計(jì)算未校正幅頻曲線在c處的分貝值并且令 ，可求出b的值。求得：（5）為減小校正裝置相角滯后特性的影響，滯后網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率=1/bT（對(duì)應(yīng)零點(diǎn)）應(yīng)低于c110倍頻程，一般取1/bT=0.1c，可求出T.求得T=34.6（6）確定校正裝置的傳遞函數(shù)此校正裝置傳函為（7）驗(yàn)算校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)。系統(tǒng)校正后的相位裕度：計(jì)算與仿真結(jié)果相同3.2 采用matlab工具進(jìn)行串聯(lián)滯后校正設(shè)計(jì)程序如下：n=500;d=1,15,50,0;g1=tf(n,d);kc=1;phi=60-180;Wc=spline(p

9、hase,w,phi);n1=polyval(n,j*Wc);d1=polyval(d,j*Wc);g=n1/d1;g2=abs(g);M=20*log10(g2);b=10(-M/20);T=1/b/(0.1*Wc);Tz=b*T;W=tf(Tz 1,T 1);figure(1);bode(g1*kc,'r');hold on;bode(g1*W*kc,'b');grid on;mag,phase,w=bode(g1*W);margin(g1*W)由圖可知，此時(shí)截止頻率Wc=1.81rad/s,相位裕度Pm=55.3°，相位穿越頻率Wg=6.92ra

10、d/s,幅值裕度GM=17.4dB。(符合設(shè)計(jì)要求)4 系統(tǒng)校正前后伯德圖對(duì)比求出前后伯德圖程序如下：n=500;d=1,15,50,0;g1=tf(n,d);kc=1;phi=60-180;mag,phase,w=bode(g1*kc);Wc=spline(phase,w,phi);n1=polyval(n,j*Wc);d1=polyval(d,j*Wc);g=n1/d1;g2=abs(g);M=20*log10(g2);b=10(-M/20);T=1/b/(0.1*Wc);Tz=b*T;W=tf(Tz 1,T 1);figure(1);rlocus(g1*W*kc);figure(2);r

11、locus(g1*kc);仿真出的根軌跡圖如下所示：5 利用階躍響應(yīng)曲線對(duì)校正前后系統(tǒng)進(jìn)行分析求出階躍響應(yīng)曲線的程序如下：n=500;d=1,15,50,0;g1=tf(n,d);kc=1;phi=60-180;mag,phase,w=bode(g1*kc);Wc=spline(phase,w,phi);n1=polyval(n,j*Wc);d1=polyval(d,j*Wc);g=n1/d1;g2=abs(g);M=20*log10(g2);b=10(-M/20);T=1/b/(0.1*Wc);Tz=b*T;W=tf(Tz 1,T 1);figure(1);Wx_c=feedback(g1*

12、kc*W,1) %校正后開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)step(Wx_c,'b',5); %校正后開(kāi)環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線hold on;Wx_d=feedback(g1*kc,1) %校正前開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)step(Wx_d,'b',5); %校正后開(kāi)環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線由圖可知，校正前：上升時(shí)間，超調(diào)時(shí)間：，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量%=70%。校正后：上升時(shí)間，超調(diào)時(shí)間：，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量%=16%。6 串聯(lián)滯后校正的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件6.1串聯(lián)滯后校正的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度2提高系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性3校正后系統(tǒng)的截至頻率會(huì)減小缺點(diǎn)：降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。6.2 串聯(lián)滯后校正的適用條件適

13、用條件：1 在系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不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。 2 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(kāi)環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。心得體會(huì)這次課設(shè)，由于是一人一題，利用matlab來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的校正分析，工作量不小。由于之前使用matlab的經(jīng)驗(yàn)甚少設(shè)計(jì)時(shí)可以說(shuō)是摸著黑一步一步探索前行。與此同時(shí)，也體會(huì)到了matlab的強(qiáng)大之處：方便的圖形輸出與函數(shù)調(diào)用，這些功能都優(yōu)化且加快著我們的設(shè)計(jì)工作。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我覺(jué)得學(xué)習(xí)像自動(dòng)控制這樣實(shí)用的知識(shí)，不僅要掌握書(shū)本上的基本內(nèi)容，還要靈活思考，善于變換，這樣才能找到最優(yōu)設(shè)計(jì)，達(dá)到事半功倍的效果。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐；