自控原理课程设计解读.docx
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自控原理课程设计解读
课程设计（综合实验）报告
（2012--2013年度第1学期）
名称：
课程或实验名称
题目：
《自动控制理论A》课程设计
院系：
控制与计算机工程学院
班级：
实验自10
学号：
1101190104
学生姓名：
高耀岿
指导教师：
袁桂丽
设计周数：
一周
成绩：
日期：
2012年01月08日
目录
一、课设题目要求………………………………………………………..3
二、自动控制原理基础知识和工具简单介绍………………………..3
三、设计正文………………………………………………………………5
四、总结与结论……………………………………………………………5
五、心得体会……………………………………………………………6
六、参考文献………………………………………………………………8
附录…………………………………………………………………11
一、课程设计的目的与要求
本次课程设计是在学完自动控制理论课程后进行的。
详细介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法以及SIMULINK仿真软件，使学生能够应用MATLAB对自动控制理论课程所学的内容进行深层次的分析和研究，能用MATLAB解决复杂的自动控制系统的分析和设计题目；能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标；能灵活应用MATLAB的CONTROLSYSTEM工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能，进行控制系统设计。
二、自动控制原理基础知识和工具MATLAB简单介绍
自动控制（原理）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。
在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。
控制方式通常可以有开环、闭环和复合控制方式三种。
反馈方式就正反馈和负反馈
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是英文MATrixLABoratory（短阵实验室）的缩写。
MATLAB主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
三、设计（实验）正文
用工具软件MATLAB对系统进行仿真分析，得到校正前后系统的时域、频域性能指标，通过比较确定校正在对系统的影响。
根据题目要求，我们组选择的三阶单位负反馈系统，开环传递函数和矫正系统函数为：
2.1
num1=100;
den=conv（[0.11],[0.012]）;
den1=conv（[10],den）;
[num11,den11]=cloop（num1,den1,-1）;
g=tf（num11,den11）;
figure
（1）
step（g）;
grid;
g=tf（num1,den1）;
figure
（2）
bode（g,{0.001,100}）;grid;
figure（3）;
margin（g）;
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin（g）;
figure（4）;
rlocus（g）
阶跃响应曲线如下：
校正前时域动态性能指标：
上升时间tr=0.0534s峰值时间tp=0.146s调节时间ts=1.04s超调量
%=58.2%
校正前系统动态性能指标（）
Gm=12.5%幅值裕度
Pm=19.2%相角裕度
Wcg=44.7%穿越频率
Wcp=21.2%截止频率
校正前原系统根轨迹图：
2.2.1
当采用比例环节进行校正时，不同的装置的Kc值的单位阶跃响应
当Kc=0.05时
上升时间tr=0.659s峰值时间：
无调节时间ts=1.14s超调量：
无
当Kc=0.1时
上升时间tr=0.297s峰值时间：
0.614s调节时间ts=0.854s超调量：
5.04%
Kc=0.5时
上升时间tr=0.0827s峰值时间：
0.215s调节时间ts=0.885s超调量：
40.4%
Kc=2时
上升时间tr=0.0356s峰值时间tp=0.106s调节时间ts=1.53s超调量
%=76.8%
Kc=5时
上升时间tr=N/A峰值时间tp=无调节时间：
无超调量
%=NAN
当采用比例环节进行校正时，不同的装置的Kc值的时域性能指标对比表格：
Kc=0.05
Kc=0.1
Kc=0.5
Kc=2
Kc=5
上升时间tr
0.659s
0.297s
0.0827s
0.0356s
N/A
峰值时间tp
无
0.614s
0.215s
0.106s
无
调节时间ts
1.14s
0.854s
0.885s
1.53s
无
超调量
%
无
5.04%
40.4%
76.8%
NAN
（上面单位阶跃响应在编码上只是kc的值不同而已，故程序不再详述）
结论：
由上表可以看出随着kc的增大上升时间，峰值时间减小，调节时间先减小后增大，超调量增大
由于校正前的装置截止频率较小，所以采用串联超前校正，假定截止频率为wm=55rad/s,所以求取矫正装置的程序如下：
num1=100;
den=conv（[0.11],[0.012]）;
den1=conv（[10],den）;
[num11,den11]=cloop（num1,den1,-1）;
g=tf（num11,den11）;
figure
（1）
step（g）;
grid;
g1=tf（num1,den1）;
wm=55
L=bode（g1,wm）
Lwc=20*log10（L）
a=10^（-0.1*Lwc）
T=1/（wm*sqrt（a））
Gc=（1/a）*tf（[a*T1],[T1]）
Gc=a*Gc;
G=Gc*g1
figure
（2）
bode（Gc）
figure（3）
bode（G,'r',g1,'b--'）;
grid;
figure（4）
margin（G）
[h,r,wx,wc]=margin（G）
figure（5）
g2=feedback（Gc*g1,1）
step（g2）
得矫正装置传递函数为：
矫正装置的bode图如下图：
所以校正后的开环传递函数为：
校正后的闭环传递函数为：
所以校正后单位阶跃响应曲线和伯德图为：
校正前后单位阶跃响应曲线
校正前单位阶跃响应曲线
校正后单位阶跃响应曲线
时域动态性能指标：
校正前：
上升时间tr=0.0534s峰值时间tp=0.146s调节时间ts=1.04s超调量
%=58.2%
校正后：
上升时间tr=0.024s峰值时间tp=0.0493s调节时间ts=0.383s超调量
%=1%
校正前后伯德图为：
校正后频域动态性能指标：
Gm=19.6%幅值裕度
Pm=67.1%相角裕度
Wx=266%穿越频率
Wc=55%截止频率
矫正前后系统的根轨迹：
矫正前系统的根轨迹
矫正后系统的根轨迹
四、课程设计（综合实验）总结或结论
超前校正、滞后校正、滞后超前校正，对系统性能的影响
1.超前校正的目的是改善系统的动态性能，实现在系统静态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。
通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。
一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。
2.滞后校正通过加入滞后校正环节，使系统的开环增益有较大幅度增加，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。
它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越频率前移，达到增加系统相位裕度的目的。
3.滞后-超前校正适用于对校正后系统的动态和静态性能有更多更高要求的场合。
施加滞后-超前校正环节，主要是利用其超前部分增大系统的相位裕度，以改善系统的动态性能；利用其滞后部分改善系统的静态性能。
五、心得体会
通过以上利用MATLAB工具辅助设计及完成实验，设计分析结果与理论相符合，达到了任务书中的要求。
通过此次课程设计让我对自动控制原理中的时域、频域、根轨迹分析系统以及系统的校正有了更进一步的认识，同时也对MATLAB工具有了更深入的了解，也能够利用MATLAB工具辅助学习自动控制原理的课程，对这门课有了更为形象的认识。
也为以后更进一步学习自控理论相关知识打下了坚实的基础。
六、参考文献
[1]作者1,作者2书名.出版单位,版本.出版日期
胡寿松《自动控制原理》科技出版社2009.07（第五版）
郑振亚《自动控制原理课程设计》武汉理工大学
附录
《自动控制理论A》课程设计任务书
一、目的与要求
本次课程设计是在学完自动控制理论课程后进行的。
详细介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法以及SIMULINK仿真软件，使学生能够应用MATLAB对自动控制理论课程所学的内容进行深层次的分析和研究，能用MATLAB解决复杂的自动控制系统的分析和设计题目；能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标；能灵活应用MATLAB的CONTROLSYSTEM工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能，进行控制系统设计。
二、主要内容
1、简要介绍控制系统理论的基本概念和基本方法，并介绍MATLAB软件的基本知识。
包括MATLAB的基本操作命令、数据结构、矩阵运算、编程算法等;简要介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法。
包括控制系统的模型及相互转换、时域分析方法、频域分析方法等应用MATLAB工具箱进行分析研究，增强理解;简要介绍SIMULINK仿真软件，介绍SIMULINK的应用方法及各种强大功能，应用SIMULINK对系统进行仿真研究;简要介绍控制系统分析与设计所必须的工具箱函数，包括模型建立、模型变换、模型简化、模型实现、模型特性、方程求解、时域响应、频域响应、根轨迹等各个方面。
2、在掌握控制系统基本理论和控制系统工具箱函数的基础上，利用MATLAB及其工具箱函数来解决所给控制系统的分析与设计问题,并上机实验;撰写课程设计报告。
2.1、自选单位负反馈系统，开环传递函数
[一个三阶或以上系统]。
（1）、绘制闭环系统单位阶跃响应曲线。
（2）、求出系统动态性能指标。
（3）、绘制对数幅频、相频特性曲线，并求出频域指标。
2.2、采用串联校正，校正装置传递函数
。
（1）、
，绘制
由
的根轨迹，绘制
取三个不同数值时单位
阶跃响应曲线，并求出动态性能指标。
（2）、
，采用频率校正法进行设计。
满足稳态性能要求，求出
，绘制校正后系统单位阶跃响应曲线，波德图，并求出系统时域、频域动态性能指标。
或（补充：
也可以采用更多的方法如：
根轨迹法，串联工程法，串联综合法（希望特性法）进行设计。
）
（3）、若单独超前校正或滞后校正不满足采用滞后超前校正。
绘制校正后系统单位阶跃响应曲线，波德图，并求出系统时域、频域动态性能指标。
2.3、在一幅图上绘制第2或3步校正前后系统单位阶跃响应曲线，在一幅图上绘制第
（2）或（3）步校正前后系统波德图。
2.4、根据校正前、后时域、频域性能指标以及对比图分析得出结论，按自己所作课程设计的内容撰写课程设计报告。
3、考核。
三、进度计划
序号
设计内容
完成时间
备注
1
下发课程设计任务书，简要介绍控制理论的概念、方法、MATLAB软件及控制系统工具箱用法的基本知识。
2
利用MATLAB软件按任务书的要求进行控制系统分析和校正设计，并撰写设计报告。
3
带着自己的课程设计报告参加答辩
四、设计成果要求
1、按自己所作课程设计的内容撰写课程设计报告，要求图、表、公式等书写打印规范。
2、可以最后写一些总结、课程设计的心得体会以及你对课程设计的一些意见及建议。
五、考核方式
本课程设计周最后一天带课程设计报告进行答辩，课程设计的成绩将根据课程设计过程中的表现，课程设计报告的书写情况，答辩情况综合给出。
学生姓名：
指导教师：
2011年12月30日
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