自动控制技术课程设计报告.docx

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自动控制技术课程设计报告

课程设计报告

课程编号

j1630102

课程名称

自动控制原理课程设计

学生姓名

所在班级

自动化1132

联系电话

实施地点

钟海楼04007

起止时间

2015.6.15--2015.6.19

指导教师

职称

副教授

一、课程设计的意义

1．学习和掌握典型高阶系统动静态性能指标的测试方法。

2．分析典型高阶系统参数对系统稳定性和动静态性能的影响。

3．掌握典型系统的电路模拟和数字仿真研究方法。

二、课程设计的内容

图1典型三阶系统的结构方框图

图1典型三阶系统结构方框图

已知典型三阶系统的结构方框图如图1所示：

其开环传递函数为

，本实验在此开环传递函数基础上做如下实验内容：

1．典型三阶系统电路模拟研究；

2．典型三阶系统数字仿真研究；

3．分析比较电路模拟和数字仿真研究结果。

3、课程设计的要求

Step1．根据给出的三阶开环系统传递函数

，设计一个由积分环节

和惯性环节

与

组成的三阶闭环系统的模拟电路图；

Step2．在输入端加入阶跃信号，其幅值为3V左右，输入、输出端分别接双踪示波器两个输入通道；

Step3．单方向调节电位器（即改变开环增益），使系统的输出响应分别为稳定状态、临界稳定状态和不稳定状态，记录对应的电位器的电阻值，同时观察并记录输出波形，了解参数变化对系统稳定性的影响；

Step4．调节电位器，使系统处于稳定状态，观察示波器读出系统稳定时的输出电压值，读出系统的超调量、调节时间和稳态误差并记录，测量时，输入电压值保持不变；

Step5．保持电位器不动（增益不变），改变三环节时间常数T0，T1，T2，观察时间参数改变对系统动静态性能的影响，并记录对应的响应曲线；

Step6．调用数字仿真软件Matlab中的Simulink，完成上述典型系统的动静态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较；

Step7．分析结果，完成课程设计报告。

四、设计思路

该系统开环传递函数为

其中T0=10u*100k=1S；T1=1u*100k=0.1S；T2=1u*500k=0.5S；K1=100k/100k=1；K2=500/Rx；即

其中，K=500/Rx，Rx的单位为kΩ。

系统特征方程为

，根据劳斯判据得到：

当0

当K=12时，系统临界稳定，作等幅振荡；

当K>12时，系统不稳定。

根据K求取Rx，改变Rx即可实现三种类型的实验。

画出它们分别对应系统处于稳定、临界稳定和不稳定的三种情况响应曲线。

事实上，除了开环增益K对系统的动态性能和稳定性有影响外，系统中任何一个时间常数的变化对系统的稳定性都有影响，对此说明如下：

令系统的截止频率为wc，则在该频率时的开环频率特性的相位为：

相位裕量为：

由此可见，时间常数T1和T2的增大都会使相位裕量减小，改变系统的稳定性。

（1）按K=10，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5的要求，设置图中相应参数。

（2）用慢扫描示波器观察并记录三阶系统单位阶跃响应曲线。

（3）按K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055的要求，调整图中相应参数。

（4）用慢扫描示波器观察并记录三阶系统单位阶跃响应曲线。

（5）令K=15，T0=0.55，Tl=0.25，用示波器观察并记录T2分别为0.15和0.55时的单位阶跃响应曲线。

（6）令T0=1，Tl=0.1，T2=0.5，用示波器观察并记录K分别为12，和15三种情况下的单位阶跃响应曲线。

（7）调用数字仿真软件Matlab中的Simulink，仿真研究上述

（1）（3）（5）（6），观察并记录三阶系统单位阶跃响应曲线，读出系统稳定时的超调量、调节时间和稳态误差并记录。

五、设计的模拟电路及仿真研究结果

1、模拟电路

2、仿真研究结果

（1）、K=10，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5时

（2）、当K=12，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5时

（3）、当K=15，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5时

（4）、当K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055时

（5）、当K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.15时

（6）当K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.55时

六、设计的数字模型及数字仿真结果

1、当K=10，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5时

仿真图：

仿真波形：

2、当K=12，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5时

仿真图：

仿真波形：

3、当K=15，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5时

仿真图：

仿真波形

4、当K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055时

仿真图：

仿真波形：

5、当K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.15时

仿真图：

仿真波形

6、当K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.55时

仿真图

仿真波形：

七、分析比较电路模拟和数字仿真研究结果

1、电路模拟结果分析

该系统开环传递函数为

其中T0=10u*100k=1S；T1=1u*100k=0.1S；T2=1u*500k=0.5S；K1=100k/100k=1；K2=500/Rx；即

其中，K=500/Rx，Rx的单位为k

系统稳定时的超调量、调节时间和稳态误差记录如下：

参数

跟随性能

T0

Tl

T2

K1

K2

最大超调

调节时间（s）

稳态误差

1

0.1

0.5

1

10

79.8%

26.61

0

1

0.1

0.5

1

12

87.6%

无法计算

不存在

1

0.1

0.5

1

15

93.4%

无法计算

不存在

0.55

0.25

0.055

1

10

34.6%

2.386

0

0.55

0.25

0.15

1

15

58.6%

无法计算

不存在

0.55

0.25

0,55

1

15

81.2%

无法计算

不存在

2、数字仿真结果分析

当0

当K=12时，系统临界稳定，作等幅振荡；

当K>12时，系统不稳定。

系统稳定时的超调量、调节时间和稳态误差记录如下：

参数

跟随性能

T0

Tl

T2

K1

K2

最大超调

调节时间（s）

稳态误差

1

0.1

0.5

1

10

0.85

23.01

0.005

1

0.1

0.5

1

12

87.6%

无法计算

不存在

1

0.1

0.5

1

15

93.4%

无法计算

不存在

0.55

0.25

0.055

1

10

0.84

11.54

0.005

0.55

0.25

0.15

1

15

58.6%

无法计算

不存在

0.55

0.25

0,55

1

15

81.2%

无法计算

不存在

八、课程设计总结

本次课程设计使我更加熟悉了MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。

MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。

在实验中，我们通过SIMULINK功能模块建立控制系统各个典型环节的模型，进行仿真和调试，得到了各个典型环节在单位阶跃信号作用下的响应波形，通过观察各个典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，我们定性的了解各参数变化对典型环节动态特性的影响，同时也加深了我们对各典型环节响应曲线的理解。

通过和proteus仿真结果的对比，使我们对控制系统的性能和两个软件的强大功能有了更进一步的认识和理解。

也在这个过程中发现了很多问题，通过跟同学和老师一起探讨，问题得以解决。

完成这次课程设计后，我又一次锻炼了自己的思维，将仿真软件结合起来得心应手的使用对我们自动化今后的专业学习有很大的指导作用。

同时，它也加强了我理论联系实际的能力，这是一个专业课的基本工具，学好它是必要的。

总之，这次课程设计我学到了很多，也实践了很多，我会再接再厉，继续学好这两个仿真软件，更加透彻的理解它们的使用功能，并运用到实际中去。

最后，感谢耐心为我们解答问题，对我们谆谆教导的徐今强老师！