核电厂的遥控机器人系统校正.docx
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核电厂的遥控机器人系统校正
中北大学
课程设计任务书
2010/2011学年第二学期
学院：
信息与通信工程学院
专业：
自动化
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
核电厂的遥控机器人系统校正
起迄日期：
2月21日～3月4日
课程设计地点：
校内
指导教师：
张文华
系主任：
王忠庆
下达任务书日期:
2011年2月21日
课程设计任务书
1．设计目的：
1.了解串联校正装置在实际控制系统中的应用；
2.熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响；
3.掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术；
4.学会使用MATLAB对系统进行计算机辅助分析与设计。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
机器人已广泛应用于核电站的维护与保养。
在核工业中，远程机器人主要用来回收和处理核废料，同时也用于核反应堆的监测、放射性污染清除和意外事故的处理等领域。
这些应用表明，远程操作技术能够显著减少放射性环境对人体造成的危害，提高系统的维护保障能力。
正在研究的一种机器人，可以完成在核电厂内特殊的操作任务。
由这种机器人构成的远程监控系统可以完成对某些特定操作的监控任务，从而减小人体暴露于高放射区的危险。
系统框图如下：
R（s）-Y（s）
若系统的开环传递函数为：
（1）当
时，确定
的合适取值，使系统单位阶跃响应的超调量小于30%，并计算所得系统的稳态误差；
（2）设计校正网络
以改进
（1）中所得系统的阶跃响应性能，并使系统的稳态误差小于12%。
课程设计任务书
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1.采用设计方法为频率响应法；
2.用MATLAB绘制相关Bode图，从图上确定相角裕度、幅值裕度、截止频率和闭环极点等；
3.用MATLAB绘制校正后系统的单位阶跃响应曲线，以对设计结果进行仿真和检验；
4.选择多组参数值，对设计结果进行比较；
5.书写设计说明书，要求系统分析和设计的步骤准确、完整、条理；图形绘制准确、清晰。
4．主要参考文献：
1.薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京：
清华大学出版社，2000
2.黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：
国防工业出版社，2002
3.王划一.自动控制原理.北京：
国防工业出版社，2010
5．设计成果形式及要求：
设计说明书。
要求：
系统分析和设计的步骤准确、完整、条理；图形绘制准确、清晰。
6．工作计划及进度：
2011年2月21日~2月23日熟悉题目查阅资料
2月24日~3月3日设计并书写设计说明书
3月4日答辩或成绩考核
系主任审查意见：
签字：
年月日
第一章绪论
机器人是自动执行工作的机器装置。
它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。
在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
机器人的一个重要组成部分为控制系统。
控制系统有两种方式。
一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。
另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。
根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
第二章T=0.5s时，使系统单位阶跃响应
的超调量小于30%的各项计算
图2.1MATLAB中的主程序
注：
主程序中的g2为等效延迟环节，g为开环传函，G为闭环传函，C为最大峰值时间，percentovershoot为超调量，以下的k相当于程序中的num。
为验证k的取值范围，分别取k值为，0.7、1、2、4，以下为K分别取如上值时的单位阶跃响应曲线和超调量：
图2.2K=0.7时的单位阶跃响应曲线及超调量
图2.3K=1时的单位阶跃响应曲线及超调量
图2.4K=2时的单位阶跃响应曲线及超调量
图2.5K=4时的单位阶跃响应曲线及超调量
由单位阶跃响应的稳态误差的公式ess=1/［1+Gk（0）］=3/（3+k）以及以上仿真结果得出如下表格：
K
0.7
1
2
4
超调量%
0.1331
1.1166
8.7610
29.9961
稳态误差3/（3+k）
0.811
0.750
0.600
0.429
表2.1
经过matlab验证，超调量随着k的增大而增大，而题目要求超
调量不超过30%且超调量不能小于零，所以将k的范围确定为0.7—4，但经过综合分析第二问要解决的问题，我们这里取K=1。
以下为k=1的情况下的单位阶跃响应曲线及各参数值：
图2.6K=1时的单位阶跃响应曲线及超调量
图2.7K=1时的等效延迟环节，开环传函，闭环传函
使用matlab编程绘出K=1时的开、闭环伯德图，程序和结果如下：
num=1;
den=[143];
g1=tf（num,den）;
[n,d]=pade（0.5,2）;
g2=tf（n,d）;
g=g1*g2;
G=feedback（g,1）;
margin（g）
绘制开环伯德图程序
num=1;
den=[143];
g1=tf（num,den）;
[n,d]=pade（0.5,2）;
g2=tf（n,d）;
g=g1*g2;
G=feedback（g,1）;
margin（G）
绘制闭环伯德图程序
图2.8K=1时开环伯德图
图2.9K=1时的闭环伯德图
利用matlab编程绘出K=1时的闭环零极点图：
num=1;
den=[143];
g1=tf（num,den）;
[n,d]=pade（0.5,2）;
g2=tf（n,d）;
g=g1*g2;
G=feedback（g,1）;
pzmap（G）
绘制闭环零极点图程序
图2.10K=1时的闭环零极点图
第三章：
设计校正网络以改进第二章所得系统的阶跃响应性能，并使系统的稳态误差小于12%
由稳态响应误差ess=1/［1+Gk（0）］得校正后的稳态误差公式为
ess=3b/（2k+3b）根据题目要求3b/（2k+3b）<12%得k>11b。
由此取出b的部分值进行计算做出表3.1。
0.7
1
2
4
0.0500
8.750
18.954
51.111
2.1639e+007
0.0550
8.734
18.856
50.871
1.0484e+008
0.0636
8.698
18.684
50.459
2.0402e+008
0.0909
18.132
49.165
94.672
0.1818
45.007
91.598
0.3636
84.517
表3.1
经过计算比较，在符合超调量小于30%和稳态误差小于12%这两个条件要求范围内最终取k和b的值分别为k=1，b=0.06，此时的校正环节为（s+2）/（s+0.06）为滞后校正网络。
确定k与b的取值后，用matlab进行仿真的主程序如下：
num=1;
den=[143];
g1=tf（num,den）;
[n,d]=pade（0.5,2）;
g2=tf（n,d）;
g3=tf（[12],[10.06]）;
g=g1*g2*g3;
G=feedback（g,1）;
step（G）;
C=dcgain（G）
[c,t]=step（G）;
plot（t,c）;
grid
[Y,K]=max（c）;
percentovershoot=100*（Y-C）/C
注：
g3为矫正环节
仿真所得超调量与最大峰值时间如图3.1
图3.1
有主程序运行得的当k=1，b=0.06时的开环传函和闭环传函如图3.2
开环传函
闭环传函
图3.2开闭环传函
k=1，b=0.06时的单位阶跃响应曲线如图3.3
图3.3单位阶跃响应
经计算此时的系统的稳态误差为8.3%，且由图3.1可知这时的超调量为18.756%，满足题目要求，故可确定取值正确。
使用matlab绘制此时的开环伯德图和闭环伯德图的主程序如下：
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