球杆系统设计说明书.docx

1、球杆系统设计说明书本科生课程设计（报告）题 目: 基于PD校正的球杆系统控制设计 姓 名: 李佳 罗平川 学 院: 工学院 专 业: 材料成型及控制工程 班 级: 材控63/64班 学 号: 3336319 3336415 指导教师: 李玉民 目录一、设计的目的 3二、设计的内容 3三、设计的要求 3四、设计的组织与准备 3五、设计过程使用的软件参数 3六、设计的过程及数据处理 3七、设计的心得体会13基于PD校正的球杆系统控制设计一、设计目的 设计控制器，应用Matlab进行仿真。通过本次课程设计，建立理论知识与实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。二、设计的内

2、容1、运用经典控制理论知识，按设计要求设计控制器；2、应用Matlab的Simulink建立控制系统的仿真模型，得出仿真结果。三、设计的要求1、设计的系统必须能够实现对不锈钢球在Beam上的位置进行控制；2、系统单位阶跃响应超调量；调整时间；3、相角裕度四、设计的组织和准备准备好理论知识，包括超前校正、PD校正和PID校正的相关知识和应用方法，软件Matlab的操作方法，Simulink模块的应用，并在开始设计之前分工好，最后整理数据，编写设计报告。五、设计过程使用的软件参数操作系统：Microsoft Windows XP Professional Service Pack 3；Matlab

3、软件版本参数：Version 6.5.0.180913 。六、设计的过程及数据处理由已知条件知球杆系统，代入得；所以，进而在Simulink模块中建立如图1所示的控制结构图。图1 仿真后双击示波器Scope可得到如图2的响应曲线；图2在Matlab的Command窗口中输入如下程序：num=1; （回车）den=1 0 0; （回车）margin(num,den) （回车）得到如图3所示的Bode图。图3由上述的示波器显示图和波特图可知，在未加任何的控制器之前，系统处于不稳定状态，相位裕度，即无法实现对不锈钢球在Beam上的位置控制。为此，在设计之初，考虑到设计计算和数据处理的简单程度，首先选

4、用了超前校正，计算过程如下：校验： 在Simulink模块中建立如图4所示的控制结构图：图4运行后，双击示波器Scope得如图5所示的响应曲线：图5接着，在Matlab的Command窗口中输入如下程序：num=1.56 1; （回车）den=0.267 1 0 0; （回车）margin(num，den) （回车）得到如图6所示的Bode图。图6由上述的图示可知，虽然设计的计算是正确无误，并且理论设计的控制器是符合控制要求的，但是不排除由于控制软件取值（取点）分析获得的图像存在误差，出现了超调量超过20%的上限，仍不符合要求，可能的原因是a的值比较的小，因此我们组适当增大了a的值。为此进行了

5、第二次的超前校正数据计算，这次过程和第一次的过程一样，只是这次计算取得的；由此建立如图7所示的控制结构图：图7双击示波器Scope得如图8所示：图8在Matlab的Command窗口中输入如下程序：num=2.38 1; （回车）den=0.17 1 0 0; （回车）margin(num，den) （回车），得到如图9所示的波特图：从图中可看出，虽然增大了a的值，使得系统的稳定性能相比之前有所提高，相角裕度也达到58.5，但是调整时间却达到4秒多，明显还是不符合控制系统的设计要求，需要继续进行调整；而另一方面，由于现在的a值已经调整的足够大了，产生震动，继续使用超前校正还是有可能达不到预期的

6、效果；因此，试用PD校正，原因在于相比剩下的两种校正方法（PD校正和PID校正），PID还是比PD复杂了些，所以优先使用PD校正。图9以下是PD校正的设计计算过程：由已知可得，这样获得的开环传递函数为：；闭环传递函数；由课本式3-20知：，；由，可取，这样， ，在Simulink模块中组合得如图10所示的结构图：图10运行后，鼠标双击示波器Scope得如图11所示的响应曲线：图11在Matlab的Command窗口中输入如下程序：num=3.3 4.7; （回车）den=1 3.3 4.7; （回车）margin(num，den) （回车），得到如图12所示的Bode图：图12从上述结果分析可知，此时系统是稳定的，超调量低于20%，相角裕度达到53.2大于40，调整时间亦小于3S，控制完全符合设计要求。七、设计的心得体会一周的实习忙碌而充实，此次实习为我们提过了一次将理论与实践相结合的机会。将自动控制中有关频域分析的方法具体应用于实际模型，采用串联校正中的基本方法设计实际系统，更加直观的学习了频域特性的有关知识，并学习掌握了Matlab的操作方法中Simulink模块的应用。 实习虽然结束了，当对于自动控制原理及应用的学习还会继续下去，希望在今后的学习中得到更大的收获。