球杆系统设计说明书.docx

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球杆系统设计说明书

本科生课程设计（报告）

题目:

基于PD校正的球杆系统控制设计

姓名:

李佳罗平川

学院:

工学院

专业:

材料成型及控制工程

班级:

材控63/64班

学号:

33363193336415

指导教师:

李玉民

目录

一、设计的目的……………………………………………3

二、设计的内容……………………………………………3

三、设计的要求……………………………………………3

四、设计的组织与准备……………………………………3

五、设计过程使用的软件参数……………………………3

六、设计的过程及数据处理………………………………3

七、设计的心得体会………………………………………13

基于PD校正的球杆系统控制设计

一、设计目的

设计控制器，应用Matlab进行仿真。

通过本次课程设计，建立理论知识与实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。

二、设计的内容

1、运用经典控制理论知识，按设计要求设计控制器；

2、应用Matlab的Simulink建立控制系统的仿真模型，得出仿真结果。

三、设计的要求

1、设计的系统必须能够实现对不锈钢球在Beam上的位置进行控制；

2、系统单位阶跃响应超调量

﹪

﹪；调整时间

；

3、相角裕度

°

四、设计的组织和准备

准备好理论知识，包括超前校正、PD校正和PID校正的相关知识和应用方法，软件Matlab的操作方法，Simulink模块的应用，并在开始设计之前分工好，最后整理数据，编写设计报告。

五、设计过程使用的软件参数

操作系统：

MicrosoftWindowsXPProfessionalServicePack3；

Matlab软件版本参数：

Version6.5.0.180913。

六、设计的过程及数据处理

由已知条件知球杆系统

，代入

得

；

所以

，

进而在Simulink模块中建立如图1所示的控制结构图。

图1

仿真后双击示波器Scope可得到如图2的响应曲线；

图2

在Matlab的Command窗口中输入如下程序：

num=[1];（回车）

den=[100];（回车）

margin（num,den）（回车）

得到如图3所示的Bode图。

图3

由上述的示波器显示图和波特图可知，在未加任何的控制器之前，系统处于不稳定状态，相位裕度

°，即无法实现对不锈钢球在Beam上的位置控制。

为此，在设计之初，考虑到设计计算和数据处理的简单程度，首先选用了超前校正，计算过程如下：

校验：

在Simulink模块中建立如图4所示的控制结构图：

图4

运行后，双击示波器Scope得如图5所示的响应曲线：

图5

接着，在Matlab的Command窗口中输入如下程序：

num=[1.561];（回车）

den=[0.267100];（回车）

margin（num，den）（回车）

得到如图6所示的Bode图。

图6

由上述的图示可知，虽然设计的计算是正确无误，并且理论设计的控制器是符合控制要求的，但是不排除由于控制软件取值（取点）分析获得的图像存在误差，出现了超调量超过20%的上限，仍不符合要求，可能的原因是a的值比较的小，因此我们组适当增大了a的值。

为此进行了第二次的超前校正数据计算，这次过程和第一次的过程一样，只是这次计算取得的

；

；

由此建立如图7所示的控制结构图：

图7

双击示波器Scope得如图8所示：

图8

在Matlab的Command窗口中输入如下程序：

num=[2.381];（回车）

den=[0.17100];（回车）

margin（num，den）（回车），得到如图9所示的波特图：

从图中可看出，虽然增大了a的值，使得系统的稳定性能相比之前有所提高，相角裕度也达到58.5°，但是调整时间却达到4秒多，明显还是不符合控制系统的设计要求，需要继续进行调整；而另一方面，由于现在的a值已经调整的足够大了，产生震动，继续使用超前校正还是有可能达不到预期的效果；因此，试用PD校正，原因在于相比剩下的两种校正方法（PD校正和PID校正），PID还是比PD复杂了些，所以优先使用PD校正。

图9

以下是PD校正的设计计算过程：

由已知可得

，这样获得的开环传递函数为：

；闭环传递函数

；

由课本式3-20知：

，

；

由

，

，

，可取

，这样

，

，

，在Simulink模块中组合得如图10所示的结构图：

图10

运行后，鼠标双击示波器Scope得如图11所示的响应曲线：

图11

在Matlab的Command窗口中输入如下程序：

num=[3.34.7];（回车）

den=[13.34.7];（回车）

margin（num，den）（回车），得到如图12所示的Bode图：

图12

从上述结果分析可知，此时系统是稳定的，超调量低于20%，相角裕度达到53.2°大于40°，调整时间亦小于3S，控制完全符合设计要求。

七、设计的心得体会

一周的实习忙碌而充实，此次实习为我们提过了一次将理论与实践相结合的机会。

将自动控制中有关频域分析的方法具体应用于实际模型，采用串联校正中的基本方法设计实际系统，更加直观的学习了频域特性的有关知识，并学习掌握了Matlab的操作方法中Simulink模块的应用。

实习虽然结束了，当对于自动控制原理及应用的学习还会继续下去，希望在今后的学习中得到更大的收获。