自动控制理论课程设计培训大纲老师用Word文档格式.docx
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二、课程设计的要求和过程管理
设计步骤的规范不但可以培养学生科学的工作方法和作风,而且还能有效地减少错误,提高工作效率。
因此必须严格执行良好的课程设计步骤规范。
本课程设计的基本步骤是:
1.问题分析及解决方案框架确定
充分地分析和理解问题本身,弄清要求做什么(Whattodo?
)。
在确定解决方案框架过程中(Howtodo?
),综合考虑控制方案和系统结构。
2.理论设计
明确控制器的设计原理和设计方法,并按照性能指标要求设计出控制系统。
3.软件仿真实现
用MATLAB的SIMULINK搭建系统模型,进行仿真实验。
要求在MATLAB窗口中用Plot语句输出仿真结果。
4.硬件实验
设计出系统的模拟电路图,并利用自动化系的控制理论实验箱搭建该系统模拟电路,以进行实验验证。
要求记录示波器的结果,并与软件仿真结果进行比较。
5.完成课程设计报告
课程设计报告应包括的内容有:
1问题描述:
明确课程设计的目的和题目要解决的问题。
2设计过程和步骤:
根据有关的控制原理和设计方法,按照性能指标要求,设计出控制系统。
要求给出详细的设计方法和设计步骤。
3软件仿真实验结果及分析:
给出MATLAB的仿真结构图及其仿真运行结果,并对结果加以分析和说明。
4硬件物理实验结果及分析:
画出控制系统的模拟电路图,给出示波器的运行结果,并对结果加以分析和说明。
5写出课程设计过程(包括理论设计、软件仿真验证、电路模拟验证)中遇到的主要问题,并说明是如何解决的;
谈谈此次课程设计的体会和经验等;
提出对课程设计的改进设想。
三、考核评估
通过理论分析和设计、软件仿真实现、电路模拟实现、总结报告和学习态度并结合学生的动手能力,独立分析解决问题的能力等方面进行综合考评。
成绩分优、良、中、及格和不及格五等。
考核标准包括:
1、控制系统理论分析与设计、软件仿真实现以及电路模拟实现。
2、学生的工作态度、独立分析问题和解决问题的能力、动手能力。
3、总结报告。
课程设计一结束即评定成绩。
重点考核以下几个方面的具体内容:
(1)理论分析设计内容,占总成绩的20%;
(2)仿真验证完成情况,占总成绩的20%;
(3)实验验证完成情况,占总成绩的20%;
(4)课程设计报告完成情况,占总成绩的20%;
(5)平时设计认真,独立思考完成情况,占总成绩10%;
(6)平时出勤情况,占总成绩的占总成绩的10%。
学生课程设计成绩以优秀、良好、中等、及格、不及格五个层次给出,这五档成绩的标准为:
(1)优秀:
理论分析设计正确、完成仿真验证和实验验证情况;
课程设计报告叙述清楚、书写规范;
独立思考完成设计任务。
(2)良好:
课程设计报告叙述较为清楚、书写较为规范;
能够独立思考完成设计任务。
(3)中等:
基本上是独立完成理论分析设计和仿真验证以及实验验证;
课程设计报告叙述基本正确、书写较规范。
(4)及格:
在同学的协助下初步完成理论分析设计和仿真验证以及实验验证;
课程设计报告叙述基本清楚、书写基本合格。
(5)不及格:
设计不认真、错误较多,未能完成设计任务。
四、课程设计题目(可以从下列三题中任选一题)
题目一连续定常系统的频率法超前校正
1.目的
(1)了解串联超前校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响;
(2)掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法;
(3)掌握串联超前校正装置的设计方法和参数调试技术;
(4)掌握设计给定系统超前校正环节的方法,并用仿真技术验证校正环节理论设计的正确性。
(5)掌握设计给定系统超前校正环节的方法,并模拟实验验证校正环节理论设计的正确性。
2.内容
已知单位反馈控制系统的开环传递函数为:
设计超前校正装置,使校正后系统满足:
3.基于频率法的超前校正器理论设计
用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤为:
(1)根据稳态误差的要求,确定系统的开环增益;
(2)根据所确定的开环增益,画出未校正系统的伯德图,并求出其相位裕量;
(3)由给定的相位裕量值,计算超前校正装置应提供的相位超前量,即
式中的是用于补偿因超前校正装置的引入,使系统的剪切频率增大而增加的相角迟后量。
值通常是这样估计的:
如果未校正系统的开环对数幅频特性在剪切频率处的斜率为,一般取;
如果该频段的斜率为,则取;
(4)根据所确定的最大相位超前角,按下式算出相应的值
(5)计算校正装置在处的幅值(参见图1-1)。
由未校正系统的对数幅频特性图,求得其幅值为处的频率,该频率就是校正后系统的开环剪切频率,即;
(6)确定校正网络的转折频率和;
(7)画出校正后系统的伯德图,并验算相位裕量是否满足要求?
如果不满足,则需增大值,从步骤(3)开始重新进行计算。
超前校正装置的传递函数为:
超前校正网络的伯德图为:
图1-1超前校正网络的伯德图
4.电路模拟实现原理
超前校正前系统的模拟原理图为:
图1-2超前校正前系统的模拟原理图
按照串联超前校正环节的理论设计,可以得到系统校正环节的传递函数为:
超前校正后系统的模拟原理图为:
图1-3超前校正后系统的模拟原理图
利用自动化系的控制理论实验箱搭建模拟电路,以进行实验验证。
要求:
观看示波器,记录系统在校正前后的阶跃响应曲线,记录系统在校正前后系统的时域指标,检验理论设计结果。
5.仿真实现
可以通过两种方式进行仿真:
编制MATLAB-M文件或者在MATLAB/SIMULINK环境下搭建仿真模型进行仿真。
(1)将校正前后的阶跃响应曲线画在同一坐标下(以方便校正结果的比较),并记录校正前后系统的时域指标。
(2)将MATLAB结果与实验结果进行分析比较。
(3)在同一坐标下画出校正前后的Bode图(以方便校正结果的比较),并记录校正前后系统的相角裕量和幅值裕量。
(4)画出超前校正装置的Bode图。
6.思考
(1)超前校正对改善系统性能有什么作用?
什么情况下不宜采用超前校正?
(2)有否其他形式的校正方案?
参数如何?
怎样模拟?
可以自己拟订校正方案,分别通过仿真和实验加以验证。
(3)分析校正前后系统的阶跃响应曲线和Bode图,说明校正装置对改善系统性能的作用。
(4)超前校正的原理是什么?
题目二连续定常系统的频率法迟后校正
(1)掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法;
(2)研究串联迟后校正装置对系统的校正作用;
(3)设计给定系统的迟后校正环节,并用仿真验证校正环节的正确性。
(4)设计给定系统的迟后校正环节,并实验验证校正环节的正确性。
2.内容
设计迟后校正装置,使校正后系统满足:
3.基于频率法的迟后校正器理论设计
用频率法对系统进行迟后校正的一般步骤为:
(1)根据给定静态误差系数的要求,确定系统的开环增益;
(2)根据确定的值,画出未校正系统的伯德图,并求出相应的相位裕量和增益裕量。
(3)如果相位裕量不满足要求,则在对数相频特性曲线上找这样一个频率点,要求在该频率处的开环频率特性的相角为
以这一频率作为校正后系统的剪切频率。
式中,为系统所要求的相位裕量,是考虑到因迟后网络的引入,在剪切频率处产生的相位迟后量,一般取。
(4)设未校正系统在处的幅值等于,据此确定迟后网络的值。
(5)选择迟后校正网络的转折频率,则另一个转折频率为。
(6)画出校正后系统的伯德图,并校核相位裕量。
如果不满足要求,则可通过改变值重新设计迟后校正网络。
迟后校正网络的传递函数为:
迟后校正网络的伯德图为:
图2-1迟后网络的伯德图
4.电路模拟实现原理
迟后校正前系统的模拟原理图为:
图2-2迟后校正前系统的模拟原理图
按照串联迟后校正环节的理论设计,可以得到系统校正环节的传递函数为:
迟后校正后系统的模拟原理图为:
图2-3迟后校正后系统的模拟原理图
利用自动化系的控制理论实验箱搭建模拟电路,以进行实验验证。
(3)在同一坐标下画出校正前后的Bode图(以方便校正结果的比较),记录校正前后系统的相角裕量和幅值裕量。
题目三连续定常系统的频率法迟后-超前校正
1.目的
(1)掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法;
(5)研究串联迟后-超前校正装置对系统的校正作用;
(6)设计给定系统的迟后-超前校正环节,并用仿真技术验证校正环节的正确性。
(7)设计给定系统的迟后-超前校正环节,并模拟实验验证校正环节的正确性。
设计迟后-超前校正装置,使校正后系统满足:
采用期望特性校正法的设计步骤如下:
(1)根据系统稳态精度要求,确定系统的开环增益,绘制未校正系统的开环对数幅频特性。
(2)根据给定的设计指标,确定并绘制期望开环对数幅频特性。
(3)由期望的对数幅频特性减去未补偿系统的对数幅频特性,两者之差是串联校正装置的对数幅频特性,进而写出校正装置的传递函数表达式。
(4)验证校正后系统是否满足性能指标要求。
典型形式的期望对数幅频特性的求法如下:
(1)根据对系统型别及开环增益(或稳态误差)要求,绘制期望特性的低频段。
(2)根据对系统相角裕度、中频区宽度、中频区特性上下限转折频率与要求,绘制期望特性的中频段,使其通过剪切频率,并取中频区特性的斜率为,以确保系统具有足够的相角裕度。
(3)绘制期望特性低、中频段之间的衔接频段,其斜率一般与前、后频段相差,否则对期望特性的性能有较大影响。
(4)根据对系统增益裕量及抑制高频噪声的要求,绘制期望特性的高频段。
通常,为使校正装置比较简单,以便于实现,一般使期望特性的高频段斜率与未校正系统的高频段斜率一致,或完全重合。
(5)绘制期望特性的中、高频段之间的衔接频段,其斜率一般取。
相位迟后-超前网络的传递函数为:
相位迟后-超前网络的伯德图为:
图3-1迟后-超前网络的伯德图
4.电路模拟实