完整word版自动化课设优秀.docx
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完整word版自动化课设优秀
课程设计（综合实验）报告
（2012—-2013年度第一学期）
名称：
自动控制原理
题目:
自动控制系统的设计
院系：
控制与计算机工程学院
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师:
袁桂丽
设计周数：
1周
成绩：
日期:
2013年1月10日
一、目的与要求
本次课程设计是在学完自动控制理论课程后进行的。
详细介绍MATLAB的控制系统工
具箱的用法以及SIMULINK仿真软件，使学生能够应用MATLAB对自动控制理论课程所学的内容进行深层次的分析和研究，能用MATLAB解决复杂的自动控制系统的分析和设计题目；能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标;能灵活应用MATLAB的CONTROLSYSTEM工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能，进行控制系统设计。
二、主要内容
1、简要介绍控制系统理论的基本概念和基本方法，并介绍MATLAB软件的基本知识。
包括MATLAB的基本操作命令、数据结构、矩阵运算、编程算法等；简要介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法。
包括控制系统的模型及相互转换、时域分析方法、频域分析方法等应用MATLAB工具箱进行分析研究，增强理解；简要介绍SIMULINK仿真软件,介绍SIMULINK的应用方法及各种强大功能,应用SIMULINK对系统进行仿真研究;简要介绍控制系统分析与设计所必须的工具箱函数，包括模型建立、模型变换、模型简化、模型实现、模型特性、方程求解、时域响应、频域响应、根轨迹等各个方面.
2、在掌握控制系统基本理论和控制系统工具箱函数的基础上,利用MATLAB及其工具箱函数来解决所给控制系统的分析与设计问题,并上机实验；撰写课程设计报告.
2.1、自选单位负反馈系统，开环传递函数
［一个三阶或以上系统]。
1、绘制闭环系统单位阶跃响应曲线。
2、求出系统动态性能指标。
3、绘制对数幅频、相频特性曲线，并求出频域指标。
2.2、采用串联校正,校正装置传递函数
。
1、
，绘制
由
的根轨迹，绘制
取三个不同数值时单位
阶跃响应曲线,并求出动态性能指标。
2、
，采用根轨迹校正法通过主导极点
［自选］，并满足稳态性能要求,求出
，绘制校正后单位阶跃响应曲线,并求出动态性能指标。
或采用频率校正法进行设计。
（补充：
也可以采用更多的方法如:
串联工程法，串联综合法（希望特性法）进行设计。
）最好根轨迹校正和频率校正两种方法都作一下。
3、若单独超前校正或滞后校正不满足采用滞后超前校正。
2.3、绘制校正前后系统单位阶跃响应曲线对比图，根轨迹对比图、伯德图对比图，并求出系统动态性能指标。
2。
4、根据校正前、后时域、频域性能指标分析得出结论，按自己所作课程设计的内容撰写课程设计报告。
开环传递函数：
g=
num=［10］;den1=[10];
den2=[126];
g=tf（num，conv（den1，den2））；%构造开环传递函数
gs=feedback（g，1）;
figure
（1）
step（gs）%画出系统的单位阶跃响应曲线
[y，t］=step（gs）；
C=dcgain（gs）;
［max_y，k］=max（y）；
tp=t（k）％tp到达第一个峰值所需要的时间
over=100＊（max_y-C）/C％over超调量
r0=1；
while（y（r0）<0.5＊C）
r0=r0+1；
end
td=t（r0）％td延时时间
r1=1；
while（y（r1）<0.1＊C）
r1=r1+1;
end
r2=1;
while（y（r2）〈0.9*C）
r2=r2+1;
end
tr=t（r2）-t（r1）％tr反应时间
s=length（t）;
whiley（s）〉0.98*C＆&y（s）<1.02*C%当误差为0。
02时对应的调节时间
s=s-1;
end
ts=t（s）%ts求调节时间
gridon
figure
（2）
bode（g）
margin（g）
gridon
Figure（3）
Rlocus（g）
动态性能指标：
tp=1。
7368over=47.8877td=0。
8243tr=0.6476ts=31.0566
频域指标：
截止频率：
wc=2。
2rad相角裕度：
r=14.9deg
穿越频率：
wx=2.45rad幅值裕度:
h=1。
58db
Gc=k时对应的根轨迹图
当k=0。
2时
对应的图形：
动态性能指标：
td=2。
01tr=5。
7ts=10。
5无超调量，无峰值时间
当k=0.5时
动态性能指标：
tp=2。
2033over=4.1430td=1.1541tr=1。
1016ts=6。
3999
当k=2时
对应的图形：
系统不稳定
频域校正法：
假设要是校正后的系统满足相角裕度〉=40
num=[10］;
den1=［10］；
den2=［126]；
g=tf（num，conv（den1，den2））;%构造开环传递函数
gs=feedback（g，1）
figure
（1）
margin（g）
figure
（2）％求校正前的开环传递函数的bode图
step（feedback（g,1））％求原传递函数的单位阶跃响应
title（’校正前单位阶跃响应'）
ovpm=11；
expm=40;
phi=—180+expm+ovpm；
［mag，phase,w］=bode（g0）；
wc=spline（phase，w,phi）;
mag1=spline（w，mag,wc）;
dbmag=20*log10（mag1）；
belta=10^（-dbmag/20）；
t=1/（belta*（wc/10））;
gc=tf（［belta＊t,1]，[t,1]）;％求出滞后校正装置的传递函数
figure（3）
margin（gc＊g）%画出校正后的开环传递函数得到bode图
figure（4）
gg=feedback（gc*g,1）
step（gg）
title（’校正后单位阶跃响应'）
Gc
求得校正装置的传递函数为：
4.183s+1
Gc=--——-—-—-——
46.05s+1
下面是校正前的时域和频域响应与校正后的时域和频域响应进行的比较
校正前:
校正后：
时域性能指标比较：
校正前
校正后
上升时间tr
0.6476
5.0045
峰值时间tp
1。
7368
13.3016
调节时间ts
31。
0566
39.5096
超调量over%
47。
8877
32.4674
延迟时间td
0。
8243
3。
4343
校正前：
校正后：
频域性能指标比较：
校正前
校正后
幅值裕度Gm
1。
58
21.8
相角裕度Pm
14。
9
42.2
穿越频率Wcg
2.45
2.36
截止频率Wcp
2,2
0。
222
校正前后的根轨迹：
校正前:
校正后：
结论：
时域、频域的性能指标如上表。
从表中可以看出，经过校正系统的性能指标发生了变化,具体论述如下：
时域:
时域性能指标主要有：
上升时间、峰值时间、调节时间、超调量延迟时间等.
在根轨迹图上，随着Kc值的变化，会出现无超调量（Kc值变小）和不稳定的情况。
这一点可从根轨迹图上看出，当Kc减小时根轨迹靠近负实轴—---值变小，超调量逐渐接近零。
当Kc值变大时根轨迹进入右半平面从而系统不稳定。
校正装置对性能指标的影响。
校正装置相当于增加了闭环零极点。
闭环极点会增加系统的阻尼比，从而使峰值时间增加，响应速度变慢,但会使超调量减少，调节时间加长.这种影响会随着极点接近实轴而加剧.闭环零点的影响则恰恰相反且随着其距离虚轴的距离缩短而加剧。
通过选择适当的主导极点可使校正后各个性能指标都有所改善。
主导极点的作释:
通过指定不同的主导极点位置，可得到所要求的时域性能指标
频域:
频域性能指标主要有幅值裕度、相位裕度、穿越频率、截止频率、谐振峰值、谐振频率、带宽等.
校正后，幅值裕度、相角裕度都有所增加。
穿越频率,截止频率都增加。
从而使系统的稳定性增强.
心得体会:
在本次的课程设计中又到了不少的问题尤其是在Matable的使用方面,软件的功能不熟悉，所以在源代码的编程方面遇到了不小的阻力，耽误了不少的时间.在自己参阅了一些书籍和请教同学后对这个软件有了一定的认识.
通过这次的课设，使我对课本的知识有了更进一步的认识,对如何通过校正装置来实现系统性能的改善,以及开环增益的改变对系统的影响有了进一步的认识。
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