水温控制系统校正装置设计文档格式.docx
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4、初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤和设计规的应用；
5、初步掌握对工程设计方案进行选择和分析的方法，绘图，撰写报告。
6、水温控制系统为一单位负反馈控制系统，其中被控制对象的传递函数为,用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计（用超前、滞后和滞后-超前校正三种方法并进行三种方法的比较），校正后的系统满足在单位斜坡信号作用下，系统的稳态速度误差系数,相位裕量的要求。
2、设计思路
对于一个控制系统，人们期望它能满足一定的性能指标需求。
如果系统达不到期望的性能指标，就需要对其进行校正。
所谓的控制系统校正，就是指在系统的基本部分（通常指对象、执行机构、测量元件等主要部件）已经确定的条件下，设计校正装置的传递函数或调整系统放大倍数，使系统性能得到改善，从而满足各项指标要求。
当一个系统的动态响应是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用超前、滞后和滞后-超前校正等方式,通过串联校正装置，改善其带宽和幅频特性最终改善动态性能，提高系统的稳定性。
按照模拟出来的仿真图在进行对比。
3、设计步骤
3.1、串联超前校正法
3.1.1用频率法设计用超前校正装置的步骤为：
1、根据所要求的稳态性能指标，确定系统满足稳态性能要求的开环增益
2、绘制满足由步骤
（1）确定的值下的系统Bode图，并求出系统的相角裕量。
3、确定为使相角裕量达到要求值，所需增加的超前相角，即
式中，为要求的相角裕量；
是因为考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加的相角裕量：
当未校正系统中频段的斜率为-40dB/dec时，取；
当未校正系统中频段斜率为-60dB/dec时，取。
4、令超前校正网络的最大超前相角，则由下式求出校正装置的参数
5、在Bode图上确定未校正系统幅值为时的频率，该频率作为校正后系统的开环剪切频率，即。
6、由确定校正装置的转折频率
超前校正装置的传递函数为
7、将系统放大倍数增大倍，已补偿超前校正装置引起的幅值衰减，即。
8、画出校正后系统的Bode图，校正后系统的开环传递函数为
9、检验系统的性能指标，若不满足要求，可增大值，从第（3）步起重新计算。
3.1.2．要求系统的静态速度误差系数，可以确定，作出时未矫正的Bode图，如图1所示。
图1校正前系统的Bode图
（2）用MATLAB程序绘制校正前系统的Bode图，如图2所示。
MATLAB程序：
>
num=20;
f1=[1,0];
f2=[0.1,1];
den=conv（f1,f2）;
f=tf（num,den）;
bode（f）
S=allmargin（f）
图2MATLAB绘制校正前系统的Bode图
（3）由程序可以看出系统的剪切频率为，相应的相角裕量为，幅值裕量。
说明系统的相角裕量小于要求值，系统的动态响应会有严重的振荡，为达到所要求的性能指标，设计采用串联超前校正。
校正后在系统剪切频率处的超前相角为
因此
校正后系统的剪切频率处，校正网络的对数幅值,可计算出未校正系统对数幅值为处的频率，即可作为校正后系统的剪切频率
校正网络的两个转折频率
校正后系统的开环传递函数
用MATLAB程序绘制校正后系统Bode图，如图1-3所示：
num=20*[0.121,1];
f1=[1,0];
f3=[0.,1];
den=conv（f3,conv（f1,f2））;
图3MATLAB绘制校正后系统的Bode图
校正后系统的相角裕量
幅值裕量，满足要求的性能指标。
3.2、串联滞后校正
3.2.1用频率法设计用超前校正装置的步骤为：
1、根据所要求的稳态性能确定系统的开环增益
2、根据已确定的值，绘制未校正系统的Bode图，并求出系统的相角裕量、幅值裕量。
3、在Bode图上求出未校正系统相角裕量处的频率，作为系统校正后的剪切频率，用来补偿校正滞后校正网络处的相角滞后，通常取。
4、令未校正系统网络在的幅值为，由此可以确定滞后网络的值。
5、为保证滞后校正网络对系统在处的相频特性基本不受影响，按下式确定滞后校正网络的第二个转折频率为
6、校正装置的传递函数为
7、画出校正后系统的Bode图，并检验性能指标。
若不满足要求，可改变或值重新设计
3.2.2
（1）当时绘制出未校正系统的Bode图，如图1所示。
计算未校正系统的剪切频率，系统的相角裕量为
幅值裕量
未校正系统中对应相角裕量为时的频率，此频率作为校正后系统的开环剪切频率。
当时，令未校正系统的开环对数幅值为，从而可求出校正装置的参数，即
得
选取
滞后校正装置的传递函数为：
校正后系统的传递函数为
绘出校正后系统的Bode图，如图4所示。
num=20*[1.42,1];
f3=[4.2,1];
图4绘出校正后系统的Bode图
校验校正后系统的相角裕量为
满足要求。
3.3、串联滞后-超前校正
作出未校正系统的Bode图，其渐近线如图2所示。
由图可以求得未校正系统的相角裕量为，故系统不是稳定的。
若串入超前校正，虽然可以增大相角裕量，满足对的要求，幅值裕量却无法同时满足。
若串入滞后校正，利用它的高频幅值衰减使剪切频率前移，能够满足对的要求，但要同时满足的要求，则很难实现，故采用滞后-超前校正。
首先确定校正后系统的剪切频率，一般可选未校正系统相频特性上相角为的频率作为校正后系统的剪切频率。
从图2中可以得出。
确定超前部分的参数，由图可知，未校正系统在，对数幅值为，为使校正后系统剪切频率为，校正装置在处产生的增益，在，点处画一条斜率为，该直线与分贝线交点即为超前校正部分的第二个转折频率，从图上可得
取。
选取，则超前部分的传递函数为
为补偿超前校正带来的幅值衰减，可传入一放大器，放大倍数。
确定滞后校正部分的参数如下：
滞后校正部分一般从经验出发估算，为使滞后部分对剪切频率附近的相角影响不大，选择滞后校正部分的第二个转折频率为
并选取，这滞后部分的第一个转折频率为
滞后部分的传递函数为
滞后—超前校正装置的传递函数为
校正后系统的Bode图如图5所示
num=20*[0.847,1];
f2=[0.001,1];
f3=[8.47,1];
f=tf（num,den）;
图5校正后系统的Bode图
校正后的系统的相角裕量是
满足需求。
4.仿真验证
4.1、串联超前校正仿真
图6串联超前校正Simulink模型图
图7未校正的单位阶跃相应曲线
图8校正后的单位阶跃相应曲线
4.2、串联滞后校正仿真
图9串联滞后校正Simulink模型图
图10校正后的单位阶跃曲线
4.3、串联滞后-超前校正仿真
图11串联滞后-超前校正Simulink模型图
图12校正后的单位阶跃响应曲线
5、方法比较
串联超前校正装置使得系统的相角裕量增大，从而降低了系统响应的超调量；
增加了系统的频带宽度，使系统的响应速度加快。
在保持稳态精度不变的前提下，滞后校正装置减小了未校正系统在开环剪切频率上的幅值，从而增大了系统的相角裕量，减小了动态响应的超调量。
应用频率法设计滞后—超前校正装置，其中超前校正部分可以提高系统的相角裕量，同时使频带变宽，改善系统的动态特性。
滞后校正部分则主要用来提高系统的稳定性。
6、设计结论
串联滞后校正和串联超前校正虽然都具有改善系统动态性能的能力，但二者所用的方法完全不同，超前校正是利用超前校正装置的超前相角来改善系统的动态特性滞后校正是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性来改善系统的动态特性。
而滞后-超前校正去两者之长补两者之短。
通过这次课程设计，巩固了课堂上学到的知识，弥补了一些知识空白，同时也提高了自己的自学能力和翻阅资料的能力及独立思考的能力，为后续的课程设计和毕业设计打下基础
7、参考文献
[1]寿松.自动控制原理.修订版.：
国防工业，1987.
[2]克明.现代控制理论基础.2版.：
工业大学，2000.
[3]金以慧.过程控制.:
清华大学,1993.
[4]薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言应用：
清华大学，1996.
成绩评定标准
项目
分
值
A优秀
（100＞x≥90）
B良好
（90＞x≥80）
C中等
（80＞x≥70）
D及格
70＞x≥60
E不及格
（X＜60）
评
参考标准
参考标准B
学习
态度
15
学习态度认真。
科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
科学作风严谨，能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间完成各项工作
学习态度尚好，能遵守组织纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨，不能保证设计时间和进度
技术水平与实际能力
35
设计合理、设计任务能够全部较好完成且几乎没有错误，对相关工作原理的分析透彻，所画电路图完整无误，计算过程完整且基本没有错误，对设计结果的分析正确，有很强的实际动手能力、调查调研非常合理、可信。
设计合理、设计任务能够较好完成但有少量错误，对相关工作原理的分析完善，所画电路图完整但有少量错误，计算过程完整但有少量错误，对设计结果的分析合理，有较强的实际动手能力、调查调研比较合理、可信。
设计合理、设计任务能够完成但有一定错误，对相关工作原理的分析基本完善，所画电路图基本完整，计算过程基本完整但有一定错误，对设计结果的分析基本合理，有一定的实际动手能力、调查调研比较可信。
设计基本合理，设计工作基本完成但错误较多，基本能分析相关工作原理，所画电路图错误较多，能完成主要计算过程基本完整但错误较多，未对设计结果进行分析。
设计不合理，基本上属抄袭，实际动手能力差，调研调查有较大问题
报告书质量
50
、结构严谨，逻辑性强，结构清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规化要求，清晰、工整
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规化的要求，工整、清晰
结构合理，层次较为分明，问理通顺，基本达到规化要求，比较工整、清晰
结构基本合理，逻辑基本合理，文字尚通顺，勉强达到规化要求；
容空乏，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规化的要求；
指导教师评定成绩：
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