自动控制原理课程设计晶闸管直流电机调速系统.docx
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自动控制原理课程设计晶闸管直流电机调速系统
自动控制原理课程设计--晶闸管-直流电机调速系统
设计任务及设计过程
（一）设计任务
晶闸管-直流电机调速系统如图所示（ksm10）
1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。
2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标：
（1）相角稳定裕度Pm>40º,幅值稳定裕度Gm>13。
（2）在阶跃信号作用下，系统超调量Mp<25%，调节时间Ts<0.15秒。
3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
4、给出校正装置的传递函数。
5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
6、分别画出系统校正前、后的的根轨迹图。
7、在SIMULINK中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。
8、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。
（二）设计过程
1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定
num=10;den=[4.099e-0070.00026950.014760.1925];
axisequal;
rlocus（num,den）
[k,p]=rlocfind（num,den）
Selectapointinthegraphicswindow
z=
Emptymatrix:
0-by-1
p=
-598.6366
-38.4242
-20.4167
k=
2.4396e+007
分析：
从上图中可以看出系统无零点，有三个极点，且都在虚轴的左半平面。
可以知道系统稳定。
2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标：
（1）相角稳定裕度Pm>40º,幅值稳定裕度Gm>13。
（2）在阶跃信号作用下，系统超调量Mp<25%，调节时间Ts<0.15秒。
从下图可以看出未校正的伯德图中可以看出；系统不满足校正要求，
输入以下函数：
n1=10;d1=[4.099e-0070.00026950.014760.1925];sys1=tf（n1,d1）;
[z,p,k]=tf2zp（n1,d1）;
z1=[z-1];
p1=[-598.6366-38.4242-20.4167-170]
sys=zpk（z1,p1,k）;
w=logspace（-1,5）;figure
（1）;bode（sys,w）;margin（sys）;
figure
（2）;nyquist（sys）;
figure（3）;rlocus（sys）
gridon;
校正后的伯德图：
从上图可以看出，校正后的伯德图中，pm=51.5,gm=13.4,通过计算可知其系统超调量Mp=20%<25%，调节时间Ts=0.8秒<0.15秒。
满足系统的要求。
3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
校正前的幅频特性：
校正后的幅频特性：
校正装置的幅频特性：
4、给出校正装置的传递函数：
G（s）=s+1/s+170;
从第一个未校正的伯德图中可以看到系统的指标不满足要求，此时幅值裕度和相角裕度都偏小，考虑添加一个较小的零点，为-1，加上零点后，发现幅值裕度依然偏小，但是相交裕度满足了要求，这时候再加上一个极点，经过几次的尝试得到极点-170可以满足给定的幅值裕度。
此时满足第一个性能指标，在经过超调量和调节时间的计算公式来计算相应的值，发现系统满足指标超调量Mp=20%<25%，调节时间Ts=0.8秒<0.15秒。
5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
校正前：
校正后：
分析：
由图可以看出，校正前是绕（-1，0j）1圈，即R=1，由奈氏判据得，p=0所以Z不等于0，闭环系统不稳定。
校正后的奈氏曲线未绕（-1，0j）点，R=0，则Z等于0，闭环系统稳定。
6、分别画出系统校正前、后的的根轨迹图。
校正前：
n1=10;d1=[4.099e-0070.00026950.014760.1925];sys1=tf（n1,d1）;
[z,p,k]=tf2zp（n1,d1）;
z1=[z-1];
p1=[-598.6366-38.4242-20.4167-170]
sys=zpk（z1,p1,k）;
w=logspace（-1,5）;figure
（1）;bode（sys,w）;margin（sys）;
figure
（2）;nyquist（sys）;
figure（3）;rlocus（sys）
gridon;
从以上的校正后的根轨迹图可以看出，系统稳定。
第三章系统建模与仿真
7、在SIMULINK中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。
这是未加环节时的scope：
加上饱和非线性环节：
在下图中加入的是saturation模块是限幅的饱和特性模块，作用是对输入信号进行限幅。
加上回环非线性环节：
下图中加入的是backlash模块，是磁滞回环特性模块
从上图可以看出，加入非线性环节后，系统的增益有所下降，系统变得更加稳定。
8、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。
当未校正系统不稳定，且要求校正后系统的响应速度，相角裕度和稳态精度较高时，以采用串联滞后—超前校正为宜。
超前校正利用其超前校正相位特性，获得系统所需的超前相位量，故可以改善系统稳定裕度，而超前改变稳定裕量较小，有时要采取两次超前校正。
滞后校正是其的高频衰减特性，使幅值穿越频率下降，从而提高相位裕度。
可以降低高频噪音。
滞后-超前校正使其超前部分来增加系统的相角裕度，同时其滞后部分来改善系统的稳定裕度。
总结与体会 ：
在这次的课程设计之前，对于自控控制原理的相关知识，我们重新翻看好几遍以前的书本。
在校正设计时候，在试取值时需要对校正原理较好的理解才能取出合适的参数，期间我们也不是一次就成功，选了几次才选出比较合适的参数。
这种不断尝试的经历让我们养成一种不断探索的科学研究精神，我想对于将来想从事技术行业的学生这是很重要的。
每一次课程设计都会学到不少东西，这次当然也不例外。
不但对自动原理的知识巩固了，也加深了对 MATLAB 这个强大软件的学习和使用。
同时，通过这次期末的课程设计，使我认识到自己这学期对这门课程的学习还远远不够，还没有较好地将书本中的知识较好地融合，这为我在以后的学习中敲了一记警钟
参考文献：
[1]薛定宇.控制系统计算机辅助设计---MATLAB语言及应用.清华大学出版社.1996年
[2]高国燊.自动控制原理.华南理工大学出版社.2013年
[3]曹戈.MATLAB教材及实训.机械工业出版社.2008年
[4]龚剑.MATLAB入门与提高.清华大学出版社.2003年
[5] 胡寿松. 自动控制原理.科学出版社.2008年
[6]楼顺天.基于MATLAB的系统分析与设计.西安电子科技大学出版社.1999年
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