自控课设Word文档下载推荐.docx
《自控课设Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自控课设Word文档下载推荐.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
1.1课程设计的目的
1、掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法。
2、能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。
3、学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。
1.2课程设计的题目
单位负反馈随动系统的开环传递函数为
1、画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定
2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。
3、设计系统的串联校正装置，使系统达到下列指标
（1）静态速度误差系数Kv≥15；
（2）相位裕量γ≥45°
（3）幅频特性曲线中穿越频率ωc≥7.5rad/s。
4、给出校正装置的传递函数。
5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
计算校正后系统的穿越频率ωc、相位裕量γ、相角穿越频率ωg和幅值裕量Kg。
6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
二课程设计的任务及要求
2.1课程设计的任务
1）给出有实际背景的数学模型，分别提出不同的设计题目及设计指标要求。
学生通过查阅相关资料，根据各自题目确定合理的控制方式及校正形式，完成设计。
2）学生首先要根据所学自动控制原理课程知识（时域分析法、频率法和根轨迹法）对系统进行性能分析。
根据设计题目要求进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数。
3）利用MATLAB语言及simulink动态仿真工具，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求，并绘制打印出仿真框图、频率特性图及动态响应图。
4）确定校正装置的电路形式及电路参数。
5）完成设计报告。
2.2课程设计的要求
1.
分析设计要求，画出系统的Bode图、根轨迹图并进行分析；
2.根据要校正的函数，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后－超前校正；
3.详细设计（包括的图形有：
校正结构图，校正前系统的Bode图，校正装置的Bode图，校正后系统的Bode图；
3
.用MATLAB编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）；
三课程设计内容
3.1Bode图分析
3.1.1画出未校正系统的Bode图
1.输入MATLAB程序如下
>
num=[15];
den=[110];
G=tf（num,den）%生成系统开环传递函数
Transferfunction:
15
-------
s^2+s
margin（G）%系统Bode图
当K=15时，校正前的Bode图为：
3.1.2分析分析系统稳定性
对数频率稳定性判据的内容为：
闭环系统稳定的充分必要条件是当从零变化到无穷大时，时，在开环系统对数幅频特性曲线的频段内，相频特性穿越-180°
的次数（正，负穿越次数之差）为p/2。
其中，逆时针为正穿越次数，顺时针为负穿越次数，p为开环传递函数的正实部极点数。
1、相角裕度
对于闭环稳定系统，如果开环相频特性再滞后γ度，则系统将变为临界稳定。
当γ>
0时，相角裕度为正，闭环系统稳定。
当γ
=
0
时，表示奈氏曲线恰好通过点，系统处于临界稳定状态。
当γ<
时，相角裕度为负，闭环系统不稳定。
2、幅值裕度
对于闭环稳定系统，如果系统开环幅频特性再增大h倍，则系统将变为临界稳定状态。
当h
（dB）>
0时，闭环系统稳定。
（dB）
0时，系统处于临界稳定状态。
<
，闭环系统不稳定。
程序如下：
delta=20;
%最大超前相位调节参数
s=tf（'
s'
）;
G=tf（num,den）
Transferfunction:
%原系统传递函数
>
margin（G）%原系统BODE图
[gm,pm]=margin（G）%原系统的相位裕量和幅值裕量
gm=Inf
pm=14.7105
phim1=45;
%期望相位裕度
phim=phim1-pm+delta;
%需补偿的相位裕度
phim=phim*pi/180;
%phim单位转换
alfa=（1+sin（phim））/（1-sin（phim））;
%求取校正器参数
a=10*log10（alfa）;
%校正器在最大超前相位处的增益
[mag,phase,w]=bode（G）;
%返回BODE图参数
adB=20*log（mag）;
%原系统幅值单位转换
wm=spline（adB,w,-a）;
%得到最大超前相位处的频率
t=1/（wm*sqrt（alfa））;
%求取校正器参数t
Gc=（1+alfa*t*s）/（1+t*s）;
%得到补偿后的校正器
figure;
[gmc,pmc]=margin（G*Gc）%求取校正后的系统稳定裕度参数
[gmc,pmc]=margin（G*Gc）
gmc=Inf
pmc=54.7131
margin（G*Gc）%得到校正后的系统bode图
3.2根轨迹图分析
3.2.1画出未校正系统的根轨迹图
num=1;
sys=tf（num,den）%系统开环传递函数
1
[p,z]=pzmap（sys）%系统的零极点
p=0
-1
z=
Emptymatrix:
0-by-1
rlocus（sys）%绘制系统根轨迹
title（'
根轨迹图'
）%设置图片名称“根轨迹图”
xlabel（'
实轴'
）%横轴命名为“实轴”
ylabel（'
虚轴'
）%纵轴命名为“虚轴”
[k,poles]=rlocfind（sys）%选择根轨迹图中的一点
Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
-0.4988+0.3056i
k=0.3434
poles=-0.5000+0.3056i
-0.5000-0.3056i
3.2.2分析未校正系统的稳定性
基本概念：
当开环系统的某一参数从零到无穷变化到无穷大时,闭环特征根在s平面上形成的轨迹,叫做根轨迹
1.只要绘制的根轨迹全部位于S平面左侧，就表示系统参数无论怎么改变，特征根全部具有负实部，则系统就是稳定的。
2.若在虚轴上，表示临界稳定，也就是不断振荡
3.假如有根轨迹全部都在S右半平面，则表示无论选择什么参数，系统都是不稳定的。
综上，根轨迹方法可以用来确定能够使系统稳定的系统参数选取范围
3.3设计串联校正装置
要求：
首先，根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。
要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T，b等的值。
基于系统频率特性的串联校正设计方法在工程中被大量采用，主要分为相位超前、相位滞后以及相位滞后—超前校正设计等三种方法。
相位超前校正主要用于改善闭环系统的动态特性,对于系统的稳态精度影响较小。
相位滞后校正可以明显地改善系统的稳态性能，但会使动态响应过程变缓；
而相位滞后超前校正则把两者的特性结合起来，用于动态、静态特性要求较高的系统。
串联校正的接入位置应视校正装置本身的物理特性和原系统的结构而定。
一般情况下，对于体积小、重量轻、容量小的校正装置（电器装置居多），常加在系统信号容量不大的地方，即比较靠近输入信号的前向通道中。
相反，对于体积、重量、容量较大的校正装置（如无源网络、机械、液压、气动装置等），常串接在容量较大的部位，即比较靠近输出信号的前向通道中。
应用频率特性法设计串联无源校正装置的步骤如下：
（1）分析系统校正前的相角裕度和剪切频率，确定采用哪种校正方式。
（2）根据稳态误差要求，确定开环增益K。
（3）利用已确定的开环增益，画出未校正系统的对数频率特性，确定未校正系统的剪切频率
，相角裕度
和幅值裕度Kg。
（4）根据相角裕度
要求，确定校正后系统剪切频率
。
3.3.1设计程序
margin（G）
所以校正前Bode图:
考虑要提高剪切频率和幅值裕度，考虑使用超前校正方法
实现程序如下
[gmc,pmc]=margin（G*Gc）；
margin（G*Gc）
校正装置的传递函数
0.5793s+1
-------------
0.07554s+1
3.3.2校正后Bode图
可以看出幅值裕度，相角裕度和剪切频率均满足要求。
3.4校正装置的传递函数
由之前的程序可以得出校正装置的传递函数如下：
3.5分析校正参数
1校正前Bode图
2校正后Bode图
3校正装置Bode图
4校正后的各个参数
相位裕量y=54.7
系统的穿越频率Wc=7.65
3.6奈奎斯特图分析
3.6.1画出奈奎斯特图
1校正前：
MATLAB程序如下：
clearall;
num=15;
den=[110];
s=tf（num,den）;
nyquist（s）
得出的奈奎斯特图如下：
2校正后：
n=[0.57931];
d=[0.075541];
ss=tf（n,d）;
G=s*ss;
nyquist（G）
得出的奈奎斯特图如下:
3.6.2奈奎斯特图分析
1校正前，因为由奈奎斯特图可得，奈奎斯特曲线不包围（-1，j0）点。
根据奈奎斯特稳定判据，其闭环系统是稳定的。
2校正后，因为由奈奎斯特图可得，奈奎斯特曲线包围（-1，j0）点。
根据奈奎斯特稳定判据，其闭环系统也是稳定的。
3.7画出Simulink仿真图
3.7.1Simulink简介
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。
3.7.2仿真图
1在Simulink窗口里菜单方式下的单位斜坡响应的动态结构图如下：
阶跃响应输出值
2在Simulink窗口里菜单方式下的单位斜坡响应的动态结构图如下：
四课程设计遇到的问题及解决方法
1MATLAB语句不熟悉，导致输入时出现错误，通过多练习、多写、多练来提高编写MATLAB语句的能力。
2对自动控制原理的基本概念的理解不透彻，如闭环传递函数，开环传递函数的混淆，根轨迹和Bode图的稳定性分析等。
通过复习课本的基础知识来巩固对基础的理解，能更好的分析题目，实现题目要求。
3Simulink的学习以及分析的困难，画出的动态结构图没有符合阶跃响应的要求。
通过研究Simulink的基本语句，来调整动态图，实现良好的性能。
五总结
通过这次的课程设计，再次熟悉我们所学的理论知识，同时为将理论知识运用于实际搭建了一个很好的平台；
使课堂学习的理论知识联系实际，进一步掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，同时也学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。
在这次课程设计过程中，遇到一些麻烦。
如对某些概念印象模糊；
软件的开发运用不熟悉。
但通过复习书本和向同学请教来了解模糊了的概念以及其他不懂得问题；
借阅基本软件指导书籍，借鉴里面的例子快速的掌握此软件的使用方法。
从课程设计的入手到最后分析，对于我来说是个不小的挑战，要清楚的注意到每个细节是不可行的，所以遇到问题时和班上的同学一起讨论，是解决各种难题的有效方法。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，仅有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计过程中遇到的问题很多，但这是难免的，只有发现了自己的不足之处并加以改正就可以达到我们需要的要求，不断进步。
我希望学校今后能够为我们多提供一些这样的学习实践机会，让我们在实践中巩固在课堂上学习的理论知识，从而更好地服务于社会。
六参考文献
[1]梅晓榕等编.自动控制原理（第二版）[M].北京：
科学出版社，2007..
[2]张德丰等编.MATLAB控制系统设计与仿真.北京：
电子工业出版社2009.
[3]赵广元编.MATLAB与控制系统仿真实践.北京：
北京航空航天大学出版社，2009.
[4]于洋等编.自动控制原理实验指导书.沈阳工业大学出版，2008
升级会员 