用MATLAB进行控制系统的超前校正设计汇总.docx

1、用MATLAB进行控制系统的超前校正设计汇总课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 陈启宏 工作单位： 自动化学院题 目 : 用 MATLAB进行控制系统的超前校正设计。初始条件： 已知一单位反馈系统的开环传递函数是要求系统跟随 2r/min 的斜坡输入产生的最大稳态误差为 2， 45以及说明要求完成的主要任务 : （包括课程设计工作量及其技术要求， 书撰写等具体要求）1、用 MATLAB作出满足初始条件的最小 K 值的系统伯德图，计算系统的幅 值裕量和相位裕量。2、在系统前向通路中插入一相位超前校正，确定校正网络的传递函数。3、用 MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。4、课程

2、设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出 MATLAB程序和MATLAB输出。说明书的格式按照教务处标准书写。时间安排：任务时间（天）审题、查阅相关资料1分析、计算1.5编写程序1撰写报告1论文答辩0.5系主任（或责任教师）签名：用 MATLAB进行控制系统的超前校正设计1、超前校正概述1.1、何谓校正所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装 置，使系统整个特性发生变化， 从而满足给定的各项性能指标。 校正的目的就是 为了当我们在调整放大器增益后仍然不能满足设计所要求的性能指标的情况下， 通过加入合适的校正装置，使系统的性能全面满足设计要求。按照校正装置在控制系统中的

3、连接方式， 可以将校正方式分为串联校正和并 联校正两种。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、 滞后校正、滞后超前校正这三种类型，也就是工程上常用的 PID 调节器。在实际的分析设计中， 具体采用哪种校正方式，取决于系统的校正要求、信 号的性质、系统各点的功率、可选元件和经济条件等。本次课程设计的要求为用 MATLAB进行控制系统的超前校正设计，已知一单 位反馈系统的开环传递函数是：要求系统跟随 2r/min 的斜坡输入产生的最大稳态误差为 所以接下来将对超前校正进行相应的介绍。1.2、超前校正的原理及方法1.2.1、超前校正的原理无源超前网络的电路如图 1 所示。如果输入

4、信号源的内阻为零， 输出端的负载阻抗视为无穷大， 那么超前网络 的传递函数可以表示为：1 aT saG c（ ）s = （1-1 ）1 Ts通常情况下， a 为分度系数， T 为时间常数，根据式（ 1-1），当我们采用无 源超前网络进行串联校正的时候， 整个系统的开环增益会下降 a 倍，所以需要提高放大器的增益来进行补偿图 1 无源超前网络电路图同时，根据式（ 1-1 ），我们可以得到无源超前网络 aG（c s）的对数频率特性。 超前网络对频率在 1/aT 至 1/T 之间的信号有这明显的微分作用， 在该频率段内， 输出信号相角比输入信号相角超前，这也即是超前校正网络名称的由来。在最大超前角频

5、率 m 处，具有最大超前角 m 。超前网络（ 1-1 ）的相角为：（c ）=arctTga ar ctgT （1-2）将上式对 求导并且令其为零，得到最大超前角频率：m 1 /T a （1-3 ）将上式代入（ 1-2 ），得最大超前角：同时还容易得到 m c图2 超前校正的伯德图最大超前角 m仅仅与衰减因子 a 有关，a 值越大，超前网络的微分效果越强。 但是 a的最大值还受到超前网络物理结构的制约，通常情况下， a取为 20左右， 这也就意味着超前网络可以产生的最大相位超前约为 65，如果所需要的大于65的相位超前角， 那么就可以采用两个超前校正网络串联实现， 并且在串联的 两个网络之间加入

6、隔离放大器，借以消除它们之间的负载效应。利用超前网络进行串联校正的基本原理，是利用超前网络的相角超前特性。 只要正确的将超前网络的交接频率 1/aT或1/T 选在待校正系统截止频率的两旁， 并适当的选择参数 a 和 T，就可以使已校正系统的截止频率和相角裕度满足性能 指标的要求，从而改善系统的动态性能，使校正后的系统具有以下特点：1、低频段的增益满足稳态精度的要求；2、中频段对数幅频特性的斜率为 -20db/dec ，并且具有较宽频带，使系统具 有满足的动态性能；3、高频段要求幅值迅速衰减，以减少噪声的影响。1.2.2、超前校正的方法系统的闭环稳态性能要求，可通过选择已校正系统的开环增益来保证

7、。用 频域法设计无源超前网络的步骤如下：1、根据稳态误差要求，确定开环增益 K；2、利用已确定的开环增益，计算待校正系统的相角裕度；3、根据截止频率 c 的要求，计算 a 和 T。令 m c ，以保证系统的响应 速度，并充分利用网络的相角超前特性。 显然， m c 成立的条件是： m （ 为补偿角） （1-5 ）L（ c ）=L（c ）m =10l ga （1-6）根据上式不难求出 a 值，然后由式（ 1-3 ）确定参数 T。4、验算已校正系统的相角裕度 。验算时， 得到新的开环传递函数后， 画出伯德图或根据以上公式验算。 如果验算结果不满足指标要求， 说明需 要重新选择 ，一般情况下是使 增

8、大，然后重复上述步骤。2、控制系统的超前校正设计2.1、未校正系统分析对于 2r/min 的斜坡输入： R=4 12稳态速度误差系数： K v lim sG（s）H （s） K稳态误差 ess KRv 1K2 2选取 K=6（ rad）-1 ，则待校正的系统开环传递函数为：2.1.1、伯德图上式为最小相位系统，用 MATLAB 画出系统的伯德图，相应程序为： num=6den=0.025，0.55，1，0bode（ num，den）grid得到的图形如图 3 所示：图 3 校正前的系统伯德图然后应用 MATLAB 求校正前的相角裕度和幅值裕度，相应程序为： num=6den=0.025，0.5

9、5，1，0 sys=tf（num，den）margin（ sys） gm，pm，wg，wp=margin（sys） 得到的图形如图 4 所示，图 4 校正前系统的裕度图由上图可得 :相角裕度 Pm =23.3deg 截止频率 c =3.17rad/sec 幅值裕度 Gm =11.3dB2.1.2、根轨迹用 MATLAB画出其根轨迹，相应的程序段为：num=6den=0.025,0.55,1,0rlocus （ num， den）Title （ 控制系统的根轨迹 ）得到如图 5 所示根轨迹，sixAyranigam5040控制系统的根轨迹3020100-10-20-30-40-70 -60 -5

10、0 -40 -30 -20 -10 Real Axis0 10 20 30-50图 5 校正前的系统根轨迹图2.1.3、 simulink 仿真用 simulink 对系统进行仿真：图 6 校正前系统的 simulink 仿真图 得到如图 7 所示系统阶跃响应：图7 校正前系统阶跃响应曲线2.2、超前校正分析2.2.1、校正装置参数的选择与计算最大超前角： m 45 23.3 15 36.7 (取 =15)参数a：a 11 ssiinn mm 3.976(1 0.446s)Gc(s)G(s)确定参数后，已校正系统的开环传递函数为：s(1 0.5s)(1 0.05s)(1 0.11s)2.3、校

11、正后的验证2.3.1、伯德图MATLAB 程序为：num=2.676,6den=0.003,0.086,0.66,1,0bode(num,den)grid得到如图 8 所示图形，-270310-1 0 1 210 10 10 10Frequency (rad/sec)图 8 校正后系统的伯德图 用 MATLAB 验证校正后的相角裕度和幅值裕度，相应程序为：num=2.676,6;den=0.003,0.086,0.66,1,0;sys=tf(num,den);margin(sys)gm,pm,wg,wp=margin(sys)得到的图形如图 9 所示，Bode Diagram-1 0 110

12、10 10Frequency (rad/sec) 图 9 校正后系统的裕度图 相角裕度： Pm =46.3deg； 截止频率： c =4.74rad/sec ； 幅值裕度： Gm =13.6dB46.3 大于 45，满足要求2.3.2、根轨迹用 MATLAB画出校正后的根轨迹， 程序为：num=2.676,6; den=0.003,0.086,0.66,1,0; rlocus(num,den);Title( 校正后系统根轨迹 )所得图形如图 10 所示，校正后系统根轨迹图 10 校正后系统的根轨迹图sixAyranigam2.3.3、 simulink 仿真用 simulink 对校正后系统进

13、行仿真：图 11 校正后系统的 simulink 仿真图 得到如图 12 所示系统阶跃响应：图 12 校正后系统阶跃响应曲线3、校正前后系统性能综合比较3.1稳定性系统抗扰动增强更相角裕度明显改善， 根轨迹在复平面负半平面分布更广， 加稳定。3.2暂态性能用 MATLAB画出校正前后系统的单位阶跃响应曲线，如图 13程序为：num1=6;den1=0.025,0.55,1,0;num3=2.676,6;den3=0.003,0.086,0.66,1,0;t=0;0.25;5num1,den1=cloop(num1,den1)y1=step(num1,den1,t)num3,den3=cloop

14、(num3,den3)y3=step(num3,den3,t)plot(t,y1,y3)gridgtext（ 校正前 ）图 13 系统校正前后的单位阶跃响应图由上图可以明显的得出以下结论：1、 加入超前校正装置后， 校正后系统的调节时间大大减小， 这在一定程 度上提升了系统的响应速度；2、 校正后系统的超调量明显减少，阻尼比增大，动态性能得到改善。3、 校正后系统的上升时间减少很多， 从而也在一定程度上提升了系统的 响应速度。所以，综合以上，可见串联超前校正装置后，明显的提升了系统的动态性能 指标，增加了系统的稳定性。4、心得体会这学期所学专业课程， 自动控制原理可谓是其中难度相对较大的一门，

15、 因为它与本专业领域契合最紧， 而且相应的理论知识较为丰富， 这无疑是在考验 我们的掌握能力以及知识整合能力， 而且还在一定程度上慢慢的锻炼着我们的专 业分析、解决问题能力。 同时，在学期末安排的本次 自动控制原理 课程设计， 更是为我们提供了一个回顾知识， 巩固知识的机会， 让我们得以独立的完成专业 知识的实际应用，进而更好的掌握。下面我将分几个方面对自己的本次体验做一下小结。 收获一：锻炼了自己做研究不厌其烦的耐心。在参数计算时，第一次补偿角 取的偏小，导致相角裕量不足， 所以增大补偿角后又计算了一遍， 直至满足相角 裕量。收获二：对自动控制原理基础理论知识的深层次认知。如果没有机会将 知

16、识应用于实际，那么我们所学的知识必然只能是纸上谈兵，本次课设， 我们得 以有机会将课堂的知识拿来自己运用，这样， 抽象的知识也会变得具体， 自然对 知识的领悟就会上一层次。收获三：工欲善其事，必先利其器。本次课设中，要想处理问题有效率，就 必须提高自己的综合能力。除了需要一定的知识理论外，本次课设， 如果想要出 色的完成，就必须具备其他诸如信息整合能力、 MATLAB软件应用能力、办公软 件操作能力等。收获四：学无止境。通过本次课设，不仅学习到了自动控制原理的相关 知识，而且对还增长了不少其他领域的见闻， 这在一定程度上激发了自己的学习 兴趣。当然，本次课设要求题目为控制系统的超前校正，通过不

17、断的更正与校验， 基本完成了要求的内容，达到了本次课程设计的目标。参考文献1胡寿松 自动控制原理（第四版） 科学出版社 20062王万良 自动控制原理 高等教育出版社 20083王晓燕 / 冯江 自动控制理论实验与仿真 华南理工大学出版社， 20064郑勇/徐继宁/ 胡敦利/李艳杰 自动控制原理实验教程 国防工业出版 社 20105何衍庆 MATLAB语言的运用 化学工业出版社 20036刘叔军 MATLAB7.0控制系统应用与实例 机械工业出版社 2006本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级课程设计题目： 用 MATLAB 进行控制系统的超前校正设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：评定项目评分成绩1选题合理、目的明确（ 10 分）2设计方案正确、具有可行性、创新性（ 20 分）3设计结果（例如：系统设计程序、仿真程序） （20分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（ 15 分）5设计报告的规范化、 参考文献充分 （不少于 5 篇）（10 分）6答辩（ 25分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：