自动控制原理课程设计.docx
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自动控制原理课程设计
目录
一设计目的
二设计要求
三设计任务
四设计原理概述
1、何谓校正为何校正
2、超前校正的原理
3、超前校正在根轨迹中的应用
五设计过程
1、初始状态的分析
2、校正装置参数的选择和计算
3、校正后的验证
3、校正对系统性能改变的分析
4、对校正后系统的仿真…
心得体会
参考文献
一、设计目的
通过课程设计，掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统自动控制方法的基础上，用MATLAB实现系统的仿真与调试。
二、设计要求
收集和查阅有关技术资料，独立完成所承担的设计课题的全部内容，初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤和设计规范的应用；对工程设计方案进行选择和分析；绘制设计图；撰写说明书。
具体要求如下：
1.根据所学的控制理论知识（频率法、根轨迹法等）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；
2.在MATLAB下，用simulink进行动态仿真，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；
3.确定校正装置的电路形式及电路参数（选作）；
4.完成设计报告。
三设计任务
燃气调节控制系统校正装置设计
已知为单位反馈控制系统的燃气调节控制系统，其开环传递函数为
，用根轨迹法设计超前校正装置，是系统满足最大超调量
调整时间
。
四设计原理概述
1、何谓校正为何校正
所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，是系统整个特性发生变化。
校正的目的是为了在调整发大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标的情况下，通过加入的校正装置，是系统性能全面满足设计要求。
2、超前校正的原理
无源超前网络的电路如图1所示。
图1无源超前网络电路图
如果输入信号源的内阻为零，且输出端的负载阻抗无穷大，则超前网络的传递函数可写为
（2—1）
式中
通常
为分度系数，T叫时间常数，由式（2-1）可知，采用无源超前网络进行串联校正时，整个系统的开环增益要下降
倍，因此需要提高放大器增益交易补偿。
根据式（2-1），可以得无源超前网络
的对数频率特性，超前网络对频率在1/
T至1/T之间的输入信号有明显的微分作用，在该频率范围内，输出信号相角比输入信号相角超前，超前网络的名称由此而得。
在最大超前交频率
处，具有最大超前角
。
超前网路（2-1）的相角为
（2-2）
将上式对
求导并令其为零，得最大超前角频率
（2-3）
将上式代入（2-2），得最大超前角频率
（2-4）
同时还易知
仅与衰减因子
有关。
值越大，超前网络的微分效应越强。
但
的最大值受到超前网络物理结构的制约，通常取为20左右（这就意味着超前网络可以产生的最大相位超前大约为65度）如果要得大于的相位超前角，可用两个超前校正网络串联实现，并在串联的两个网络之间加一个隔离放大器，以消除它们之间的负载效应。
利用超前网络或PD控制器进行串联校正的基本原理，是利用超前网络或PD控制器的相角超前特性。
只要正确地将超前网络的交接频率1/
T或1/T选在待校正系统截止频率的两旁，并适当选择参数
和T，就可以使已校正系统的截止频率和相角裕度满足性能指标的要求，从而改善系统的动态性能。
使校正后系统具有如下特点：
低频段的增益满足稳态精度的要求；中频段对数幅频特性的斜率为-20db/dec，并具有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；高频段要求幅值迅速衰减，以减少噪声的影响。
3、超前校正在根轨迹中的应用方法。
用根轨迹法设计超前校正装置的步骤为：
（1）根据要求的性能指标，确定希望主导极点的位置。
（2）绘制原系统的根轨迹，如果根轨迹不能通过希望的闭环主导极点，则表明仅调整增益不能满足给定要求，需加校正装置；如果原系统根轨迹位于期望极点的右侧，则应串入超前校正装置；
（3）计算超前校正装置应提供的超前相角；
（4）求校正装置的零、极点位置；
（5）由幅值条件确定校正后系统增益；
（6）检验系统的性能指标，如果系统不能满足要求指标，适当调整零、极点；如果需要大的静态误差系数，则应采用其它方案。
五设计过程
1、初始状态的分析
确定期望极点：
根据
，
（取5%的误差带），根据题中要求条件，由分析计算得
，取
，又根据要求条件经计算得：
。
根据根轨迹法则，经计算，求得S复平面上期望极点的位置：
又待校正的开环传递函数为：
上式为最小相位系统，用手画出原系统的根轨迹图
图2校正前系统的根轨迹
由以上过程可以看到原系统根轨迹需要加以校正，可在系统的前向通道中串入超前校正装置，校正装置的确定应使串入超前校正装置后的根轨迹通过希望的闭环主导极点。
2、校正装置参数的选择和计算
求校正装置的传递函数：
根据前面的分析，运用MATLAB计算校正的传递函数。
计算程序如下：
>>s1=-6.0001+15.6492i;
>>ng=1;dg=[120750];
>>ngv=polyval（ng,s1）;dgv=polyval（dg,s1）;
>>g=ngv/dgv;zeta=angle（g）;
>>ifzeta>0;phic=pi-zeta;end;
>>ifzeta<0;phic=-zeta;end;
>>phi=angle（s1）;zetaz=（phi+phic）/2;zetap=（phi-phic）/2;
>>zc=real（s1）-imag（s1）/tan（zetaz）;
>>pc=real（s1）-imag（s1）/tan（zetap）;
>>nc=[1-zc];dc=[1-pc];
>>nv=polyval（nc,s1）;dv=polyval（dc,s1）;kv=nv/dv;
>>kc=abs（1/（g*kv））;
>>ifzeta<0;kc=-kc;end;
>>kc
>>Gc=tf（nc,dc）
通过在MATLAB中运行以上程序，可以得到校正器的传递函数为:
kc=2.06995e+004
Transferfunction:
S+0.06531
……….
S+73.12
即校正器传递函数为：
校正后的系统传递函数为：
3、校正后的验证
根据校正后的结构与参数，我们运用MATLAB可以得到系统的阶跃响应曲线以及其性能指标。
其程序如下：
>>globalyt;
>>s2=tf（[13.841],[173.12]）;
>>s1=tf（20699.5,[120750]）;
>>sope=s1*s2;sys=feedback（sope,1）;
>>step（sys）
>>[y,t]=step（sys）;
>>[sigma,tp,ts]=ste（y,t）
运行该程序，可得到系统的阶跃响应曲线，如下图3所示。
-
图3系统阶跃响应曲线
并有系统性能指标。
超调量：
sigma=0.2489
峰值时间：
tp=0.2209
调节时间：
ts=0.3037
即校正后系统的阶跃响应品质指标是：
调节时间ts=0.3037<0.5s,超调量
=24.89%<30%。
因此，阶跃响应品质指标超调量与调节时间均已满足题目要求。
4、校正对系统性能改变的分析
由以上知校正前和校正后系统的区别如下：
1）加入校正装置后，校正后系统的调节时间大大的减小，大大提升了系统的响应速度。
2）校正后系统系统的超调量明显减少了，阻尼比增大，动态性能得到改善。
3）校正后系统的上升时间减小很多，从而提升了系统的响应速度。
综上，串入超前校正装置后，明显地提升了系统的动态性能指标，增强了系统的稳定性。
5、对校正后的系统进行仿真
1）通过对校正后的系统进行仿真，验证校正物理可行性，其仿真装置如图：
图4校正方框图
2）校正前校正后系统的单位阶跃仿真曲线如在。
原系统仿真结果：
图5
校正后系统仿真结果：
图6
心得体会
在很多人眼中为期两周的课程设计是一种煎熬，确实，课设和我们习惯的单纯的看书做题目不一样，它更考验我们对知识的理解和应用。
通过这次自控的课程设计中我可谓受益匪浅。
首先当然是对于课本知识的再学习和更深刻的理解，和做题目不一样，在做课设时需要全方面的考虑问题，而不是单纯的算出一个结果，特别是对与校正系统，在试取值时需要耐心的验算，在校正后还需要前后的对比分析，我这次在校正时刚开始就没能取到合适的值，但是在重新取值后最终还是满足了要求。
虽说这个过程并不算是多么的漫长或艰难，但是这种经历确实能让我们养成一种不断探索的科学研究精神，我想对于工学学生这个是很重要的。
这次课设对我的另一大考验就是MATLAB的应用，虽说之前上过基础强化训练课，但是并没有具体到在自控上的应用，所以自己查资料是必须的，对于工科学生来说查资料也是必备的能力，有些问题在不会时看上去很可怕，但是在看过资料后才发现也没有想象的那么难，这次课设中用到的MATLAB就比我之前想的要容易，我想之搞课设很大的一方面原因也是为了提高我们的自学意识和自学能力，通过这次课设，我在查资料的能力上也确实得到了提高，除开图书馆，上网搜索也的确是不错的选择。
不少人抱怨在大学学不到东西，我并不这样认为。
我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是课设给我知识之外的一点小小的感悟。
参考文献：
1．王万良.自动控制原理.北京：
高等教育出版社，2008
2．胡寿松.自动控制原理第五版.北京：
科学出版社，2007
3．魏克新.MATLAB语言与自动控制系统设计.北京：
机械工业出版社，2006
4．刘叔军.MATLAB7.0控制系统应用与实例.北京：
机械工业出版社，2006
5．王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.北京：
电子工业出版社，2005
课程设计
题目：
自动控制原理超前校正设计
姓名：
马红涛
学号：
090607322
班级：
0906073
指导教师：
何琳琳
郑州航空工业管理学院
结课设计（论文）
09级电气工程及其自动化专业0906073班级
课程自动控制原理
姓名马红涛学号090607322
指导教师崔建锋职称副教授
二О一一年十二月十四日
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