控制系统的滞后校正设计讲解.docx
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控制系统的滞后校正设计讲解
牡丹江师范学院
本科学生课程设计指导书
题目控制系统的滞后校正设计
班级11级工业电气
学号
姓名
指导教师王淑玉
牡丹江师范学院
2013年11月15日
自控原理课程设计指导书
课程名称:
自动控制原理
学时数:
2周
学分数:
开课院、系(部)、教研室:
物理与电子工程学院电子信息教研室
执笔人:
王淑玉
编写时间:
2013.11.10
设计目的
学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握自控原理设计的基本方法、设计步骤,培养综合设计与调试能力。
二、设计任务
(1)画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图;
(2)用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线,并根据曲线分析系统的动态性能指标;
三、设计内容与要求
根据设计要求和已知条件,确定主要参数,计算并选取外电路的元件参数。
四、设计资料及有关规定
字体符合要求,正确使用编程
五、设计成果要求
设计论文
六、物资准备
1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料
2.到实验室准备器件作好实验准备
七、主要图式、表式
电路图、表要规范,符合设计要求
八、时间安排
2013.11.1设计动员,发放设计任务书
2013.11.2-2013.11.3查阅资料、拟定设计程序和进度计划
2013.11.4-2013.11.10确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书
2013.11.11完成设计,交指导教师审阅
2013.11.14成绩评定
九、考核内容与方式
考核的内容包括:
学习态度;技术水平与实际能力;论文(计算书、图纸)撰写质量;创新性;采取审定与答辩相结合的方式,成绩评定按百分制记分。
十、参考书目
1.田思庆,梁春英自动控制理论中国水利水电出版社2013
2.魏克新,王云亮编著.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.
3.王正林,王胜开编著.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.
4.(美)安德鲁,(美)威廉斯编著.实用自动控制设计指南.化学工业出版社.
5.黄忠霖编著.自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.
6.彭雪峰,刘建斌编著.自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.
牡丹江师范学院本科学生课程设计任务书
程名称:
自控原理课程设计
课程设计题目
控制系统的滞后校正
院、系
工学院
专业
电气工程及其自动化
年级
2011
已知参数和设计要求:
a)计算参数A,T
b)用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线,并根据曲线分析系统的动态性能指标;
学生应完成的工作:
1、了解原理,选择元件,计算确定元件参数,利用仿真软件画出相关曲线。
2、完成设计报告
目前资料收集情况(含指定参考资料):
1.田思庆,梁春英自动控制理论中国水利水电出版社,2013
2.魏克新,王云亮编著.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.
课程设计的工作计划:
2013.11.1设计动员,发放设计任务书
2013.11.2-2013.11.3查阅资料、拟定设计程序和进度计划
2013.11.4-2013.11.10确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书
2013.11.11完成设计,交指导教师审阅
2013.11.14成绩评定
任务下达日期2013年11月1日完成日期2013年11月14日
指导老师王淑玉(签名)学生(签名)
目录
1.设计要求1
2.设计原理1
3.设计分析与计算2
3.1校正参数B的计算2
3.2校正参数a、T的计算3
3.3校正后系统的检验3
4.仿真程序、结果及结果分析3
4.1校正前系统的奈奎斯特曲线与伯德图4
4.2校正后系统的奈奎斯特曲线与伯德图5
4.3校正前后系统动态性能的比较7
5.参考文献9
6.心得体会10
滞后校正控制系统设计
1.设计要求
已知一单位负反馈系统的开环传递函数为
要求控制系统的性能指标为调节时间<5s,单位阶跃输入的稳态误差<0.1,相角裕度大于45度。
任务:
(1)设计一个滞后校正装置,使系统满足上述性能指标;
(2)画出系统在矫正前后的奈奎斯特曲线和伯德图;
(3)用Matlab画出校正前后的阶跃响应曲线,并根据曲线分析系统的动态性能指标;
(4)对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须写清楚分析计算的过程,给出响应曲线,并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型,说明书的格式按教务处标准书写。
3.设计原理
对于所给出的系统进行分析可以知道,校正前的系统是稳定的,调节时间与相角裕度两项性能指标都满足设计要求,只有单位阶跃输入的稳态误差过大,需要通过矫正使它由
变得小于0.1。
对于该系统,由于无差度v=0,可知单位阶跃响应下的稳态误差ess(∞)=
。
为了减小稳态误差,必须增大稳态位置误差系数Kp。
由于Kp=
,得知设计的滞后校正装置必须能够使稳态误差系数增大。
由于滞后校正装置的传递函数
a<1,它的幅频特征曲线如图一所示。
串联进前向通道后能够降低系统的截止频率,提高系统的向位裕度,改善系统的暂态性能,但不能改变稳态误差系数,即不能改善系统稳态精度。
因此,有必要再之后矫正网络后串连一个放大倍数为B的放大器,如图二所示的放大B倍的滞后校正的伯德图可知,这样做可以在在暂态性能不变的前提下提高系统的稳态精度。
综上所述,在原系统开环部分后串连一个滞后校正装置
,然后串连一个放大倍数为B的放大器,检验校正后系统的各项性能指标,如符合设计要求,则校正完成。
系统的结构图如图三所示。
B
、
-
图三
3.设计分析与计算
3.1校正参数B的计算
由系统原开环传递函数
和放大倍数B
得到校正后系统的开环传递函数为G(s)=
得到阶跃响应的稳态误差ess(∞)=
得到B>18,为方便计算,取B=20
3.2校正参数a、T的计算
由于要求的相角裕度r=45°
在校正前系统的相频特性曲线上做-180°+45°+10°=125°线,
得到新系统的截止频率
=8.91
该频率对应原系统幅频特性的交点为-13.1dB。
由于校正后系统含有一个放大器会使系统幅频特性向上平移,所以令
-13.1+20lgB=20lg
1
得到a=0.224
令
=
*cot(90°-10°)
得到T=2.847
3.3校正后系统的检验
对校正后的系统计算各项参数,得到单位阶跃输入的稳态误差
(∞)=0.97。
借助校正后系统的伯德图,得到校正后的相角裕度r=104°。
借助校正后系统的波形图,得到校正后的调节时间ts=1.97s(误差为2%时)。
各项参数均符合设计要求。
4.仿真程序、结果及结果分析
4.1校正前系统的奈奎斯特曲线与伯德图
程序:
num=[1,10];
den=[1,2,20];
nyquist(num,den)
校正前系统奈氏曲线
程序:
num=[1,10];
den=[1,2,20];
bode(num,den)
校正前系统伯德图
4.2校正后系统的奈奎斯特曲线与伯德图
程序:
num=[12.76,147.6,200];
den=[2.847,19.454,206.54,220];
nyquist(num,den)
校正后系统奈氏曲线
程序:
num=[12.76,147.6,200];
den=[2.847,19.454,206.54,220];
bode(num,den)
校正后系统伯德图
4.3校正前后系统动态性能的比较
校正前系统单位阶跃响应的波形图
校正后系统的单位阶跃响应的波形图
有校正前后系统单位阶跃响应的波形图可知,校正后系统的稳态值越是校正前系统稳态值约三倍。
校正前系统的超调量为49%,校正后变为19.5%。
取△=2,校正前系统的调节时间为2.7s,校正后变为1.97秒。
校正前系统的上升时间为0.22s,校正后变为0.20s。
校正前系统的峰值时间为0.48s,校正后变为0.30s。
可知,经过校正,系统的动态性能得到了改善。
参考文献
[1]田思庆,梁春英编著.自动控制理论.中国水利水电出版社,2013
[2]魏克新,王云亮编著.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.
[3]王正林,王胜开编著.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.
[4](美)安德鲁,(美)威廉斯编著.实用自动控制设计指南.化学工业出版社.
[5]黄忠霖编著.自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.
[6]彭雪峰,刘建斌编著.自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.
心得体会
在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器,设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控制量)自动地按照预定的规律运行。
自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。
在工业方面,对于化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量,包括温度、流量、相位等,都有相应的控制系统。
在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。
此外,在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面,自动控制技术也都有着实际的应用。
随着控制理论和控制技术的发展,自动控制系统的应用领域还在不断扩大,几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
自控涉及的只是很广,所需的知识较多。
当然,由于本科阶段时间有限,我们不能很好的更深入的学习自动控制这门课。
若想把它学好,在条件许可下,我们应该考上研究生,在研究生阶段更彻底的学习。
通过半年的学习,我们对自动控制原理有了比较一定的认识,并能简单运用自动控制解决一些简单问题。
我们运用平时所学的一些基础知识解决了课程设计的问题,深感欣慰、高兴。
通过本次的课程设计,我们又对自控有了一定的加深。
并知道了在当今的信息技术如此发达的世界中,我们必须运用多种渠道,去学习研究。
并要很好的运用计算机和一些软件,只有这样,我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。
平时只有理论知识学习,却缺少必须的动手机会,当然在实验课上,也锻炼了自己的动手能力。
可是,毕竟课上时间有限,不能深入的完成实验。
要把理论转化为实践是必须的,学生必须尽力为自己寻找一些实验,动手的机会。
课程设计为我们提供了这样的机会。
课设过程中,大家自己独立思考,完成老师布置的题目,学习了很多东西,把自己所学用于实际,自己倍感有成就感。
课设期间,遇到问题,独立解决或同学在一起讨论,大家很有目的的做课设,受益匪浅.
课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
(100>x≥90)
良好
(90>x≥80)
中等
(80>x≥70)
及格
(70>x≥60)
不及格(x<60)
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
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
学习态度比较认真,科学作风良好,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,按期完成各项工作
学习态度尚可,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
25
设计合理、理论分析与计算正确,实验数据准确,有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力,文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信
设计合理、理论分析与计算正确,实验数据比较准确,有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力,文献引用、调查调研比较合理、可信
设计合理,理论分析与计算基本正确,实验数据比较准确,有一定的实际动手能力,主要文献引用、调查调研比较可信
设计基本合理,理论分析与计算无大错,实验数据无大错
设计不合理,理论分析与计算有原则错误,实验数据不可靠,实际动手能力差,文献引用、调查调研有较大的问题
创新
10
有重大改进或独特见解,有一定实用价值
有较大改进或新颖的见解,实用性尚可
有一定改进或新的见解
有一定见解
观念陈旧
论文(计算书、图纸)撰写质量
50
结构严谨,逻辑性强,层次清晰,语言准确,文字流畅,完全符合规范化要求,书写工整或用计算机打印成文;图纸非常工整、清晰
结构合理,符合逻辑,文章层次分明,语言准确,文字流畅,符合规范化要求,书写工整或用计算机打印成文;图纸工整、清晰
结构合理,层次较为分明,文理通顺,基本达到规范化要求,书写比较工整;图纸比较工整、清晰
结构基本合理,逻辑基本清楚,文字尚通顺,勉强达到规范化要求;图纸比较工整
内容空泛,结构混乱,文字表达不清,错别字较多,达不到规范化要求;图纸不工整或不清晰
指导教师评定成绩:
指导教师签名:
年月日