控制系统的滞后校正设计.docx
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控制系统的滞后校正设计
牡丹江师范学院
本科学生课程设计指导书
题目控制系统的滞后校正设计
班级11级工业电气
学号
姓名
指导教师王淑玉
牡丹江师范学院
2013年11月15日
自控原理课程设计指导书
课程名称：
自动控制原理
学时数：
2周
学分数：
开课院、系（部）、教研室：
物理与电子工程学院电子信息教研室
执笔人：
王淑玉
编写时间：
2013.11.10
设计目的
学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握自控原理设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。
二、设计任务
（1）画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；
（2）用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；
三、设计内容与要求
根据设计要求和已知条件，确定主要参数，计算并选取外电路的元件参数。
四、设计资料及有关规定
字体符合要求，正确使用编程
五、设计成果要求
设计论文
六、物资准备
1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料
2.到实验室准备器件作好实验准备
七、主要图式、表式
电路图、表要规范，符合设计要求
八、时间安排
2013.11.1设计动员，发放设计任务书
2013.11.2-2013.11.3查阅资料、拟定设计程序和进度计划
2013.11.4-2013.11.10确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书
2013.11.11完成设计，交指导教师审阅
2013.11.14成绩评定
九、考核内容与方式
考核的内容包括：
学习态度；技术水平与实际能力；论文（计算书、图纸）撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。
十、参考书目
1.田思庆，梁春英自动控制理论中国水利水电出版社2013
2.魏克新，王云亮编著.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.
3.王正林，王胜开编著.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.
4.（美）安德鲁，（美）威廉斯编著.实用自动控制设计指南.化学工业出版社.
5.黄忠霖编著.自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.
6.彭雪峰，刘建斌编著.自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.
牡丹江师范学院本科学生课程设计任务书
程名称：
自控原理课程设计
课程设计题目
控制系统的滞后校正
院、系
工学院
专业
电气工程及其自动化
年级
2011
已知参数和设计要求：
a）计算参数A,T
b）用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；
学生应完成的工作：
1、了解原理，选择元件，计算确定元件参数，利用仿真软件画出相关曲线。
2、完成设计报告
目前资料收集情况（含指定参考资料）：
1.田思庆,梁春英自动控制理论中国水利水电出版社,2013
2.魏克新，王云亮编著.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.
课程设计的工作计划：
2013.11.1设计动员，发放设计任务书
2013.11.2-2013.11.3查阅资料、拟定设计程序和进度计划
2013.11.4-2013.11.10确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书
2013.11.11完成设计，交指导教师审阅
2013.11.14成绩评定
任务下达日期2013年11月1日完成日期2013年11月14日
指导老师王淑玉（签名）学生（签名）
滞后校正控制系统设计
1.设计要求
已知一单位负反馈系统的开环传递函数为
要求控制系统的性能指标为调节时间<5s,单位阶跃输入的稳态误差<0.1,相角裕度大于45度。
任务：
（1）设计一个滞后校正装置，使系统满足上述性能指标；
（2）画出系统在矫正前后的奈奎斯特曲线和伯德图；
（3）用Matlab画出校正前后的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；
（4）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按教务处标准书写。
3.设计原理
对于所给出的系统进行分析可以知道，校正前的系统是稳定的，调节时间与相角裕度两项性能指标都满足设计要求，只有单位阶跃输入的稳态误差过大，需要通过矫正使它由
变得小于0.1。
对于该系统，由于无差度v=0，可知单位阶跃响应下的稳态误差ess（∞）=
。
为了减小稳态误差，必须增大稳态位置误差系数Kp。
由于Kp=
，得知设计的滞后校正装置必须能够使稳态误差系数增大。
由于滞后校正装置的传递函数
a<1，它的幅频特征曲线如图一所示。
串联进前向通道后能够降低系统的截止频率，提高系统的向位裕度，改善系统的暂态性能，但不能改变稳态误差系数，即不能改善系统稳态精度。
因此，有必要再之后矫正网络后串连一个放大倍数为B的放大器，如图二所示的放大B倍的滞后校正的伯德图可知，这样做可以在在暂态性能不变的前提下提高系统的稳态精度。
综上所述，在原系统开环部分后串连一个滞后校正装置
，然后串连一个放大倍数为B的放大器，检验校正后系统的各项性能指标，如符合设计要求，则校正完成。
系统的结构图如图三所示。
B
、
-
图三
3.设计分析与计算
3.1校正参数B的计算
由系统原开环传递函数
和放大倍数B
得到校正后系统的开环传递函数为G（s）=
得到阶跃响应的稳态误差ess（∞）=
得到B＞18，为方便计算，取B=20
3.2校正参数a、T的计算
由于要求的相角裕度r=45°
在校正前系统的相频特性曲线上做-180°+45°+10°=125°线，
得到新系统的截止频率
=8.91
该频率对应原系统幅频特性的交点为-13.1dB。
由于校正后系统含有一个放大器会使系统幅频特性向上平移，所以令
-13.1+20lgB=20lg
1
得到a=0.224
令
=
*cot（90°-10°）
得到T=2.847
3.3校正后系统的检验
对校正后的系统计算各项参数，得到单位阶跃输入的稳态误差
（∞）=0.97。
借助校正后系统的伯德图，得到校正后的相角裕度r=104°。
借助校正后系统的波形图，得到校正后的调节时间ts=1.97s（误差为2%时）。
各项参数均符合设计要求。
4.仿真程序、结果及结果分析
4.1校正前系统的奈奎斯特曲线与伯德图
程序：
num=[1,10];
den=[1,2,20];
nyquist（num,den）
校正前系统奈氏曲线
程序：
num=[1,10];
den=[1,2,20];
bode（num,den）
校正前系统伯德图
4.2校正后系统的奈奎斯特曲线与伯德图
程序：
num=[12.76,147.6,200];
den=[2.847,19.454,206.54,220];
nyquist（num,den）
校正后系统奈氏曲线
程序：
num=[12.76,147.6,200];
den=[2.847,19.454,206.54,220];
bode（num,den）
校正后系统伯德图
4.3校正前后系统动态性能的比较
校正前系统单位阶跃响应的波形图
校正后系统的单位阶跃响应的波形图
有校正前后系统单位阶跃响应的波形图可知，校正后系统的稳态值越是校正前系统稳态值约三倍。
校正前系统的超调量为49%，校正后变为19.5%。
取△=2，校正前系统的调节时间为2.7s，校正后变为1.97秒。
校正前系统的上升时间为0.22s，校正后变为0.20s。
校正前系统的峰值时间为0.48s,校正后变为0.30s。
可知，经过校正，系统的动态性能得到了改善。
参考文献
［1］田思庆，梁春英编著.自动控制理论.中国水利水电出版社,2013
［2］魏克新，王云亮编著.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.
［3］王正林，王胜开编著.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.
［4］（美）安德鲁，（美）威廉斯编著.实用自动控制设计指南.化学工业出版社.
［5］黄忠霖编著.自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.
［6］彭雪峰，刘建斌编著.自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.
心得体会
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制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。
自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。
在工业方面，对于化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、相位等，都有相应的控制系统。
在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。
此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。
随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
自控涉及的只是很广，所需的知识较多。
当然，由于本科阶段时间有限，我们不能很好的更深入的学习自动控制这门课。
若想把它学好，在条件许可下，我们应该考上研究生，在研究生阶段更彻底的学习。
通过半年的学习，我们对自动控制原理有了比较一定的认识，并能简单运用自动控制解决一些简单问题。
我们运用平时所学的一些基础知识解决了课程设计的问题，深感欣慰、高兴。
通过本次的课程设计，我们又对自控有了一定的加深。
并知道了在当今的信息技术如此发达的世界中，我们必须运用多种渠道，去学习研究。
并要很好的运用计算机和一些软件，只有这样，我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。
平时只有理论知识学习，却缺少必须的动手机会，当然在实验课上，也锻炼了自己的动手能力。
可是，毕竟课上时间有限，不能深入的完成实验。
要把理论转化为实践是必须的，学生必须尽力为自己寻找一些实验，动手的机会。
课程设计为我们提供了这样的机会。
课设过程中，大家自己独立思考，完成老师布置的题目，学习了很多东西，把自己所学用于实际，自己倍感有成就感。
课设期间，遇到问题，独立解决或同学在一起讨论，大家很有目的的做课设，受益匪浅.
课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
（100>x≥90）
良好
（90>x≥80）
中等
（80>x≥70）
及格
（70>x≥60）
不及格（x<60）
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
学习态度
15
学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作
学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
技术水平与实际能力
25
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信
设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信
设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错
设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题
创新
10
有重大改进或独特见解，有一定实用价值
有较大改进或新颖的见解，实用性尚可
有一定改进或新的见解
有一定见解
观念陈旧
论文（计算书、图纸）撰写质量
50
结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰
结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰
结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整
内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰
指导教师评定成绩：
指导教师签名：
年月日
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