《自動控制原理》課程設計-飛行器控制系統(tǒng)設計.doc

武漢理工大學自動控制原理課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 電氣0902 指導教師： 工作單位： 武漢理工大學 題 目: 飛行器控制系統(tǒng)設計 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 分別用時域和頻域方法設計該系統(tǒng)的控制器?？刂葡到y(tǒng)的時域性能指標為：單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443最大超調量5%上升時間0.005sec調節(jié)時間0.008sec控制系統(tǒng)的頻域性能指標為：單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443相位裕量大于2. 用matlab對校正前后的系統(tǒng)進行仿真分析，畫出階躍響應曲線，計算其時域性能指標。時間安排： 任務時間（天）審題、查閱相關資料2分析、計算2編寫程序2撰寫報告1論文答辯0.5 指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要:根據(jù)被控對象及給定的技術指標要求，涉及自動控制系統(tǒng)，既要保證所設計的系統(tǒng)具有良好的性能，滿足給定的指標要求，還有考慮方案的可靠性和經(jīng)濟性，本課程設計是在給定的指標下，分別用時域和頻域方法設計該系統(tǒng)的控制器。本文首先從理論的方法分別用時域和頻域法求出控制系統(tǒng)的時域性能指標，再用matlab對校正前后的系統(tǒng)進行仿真分析，畫出階躍響應曲線，計算其時域性能指標，經(jīng)驗證，滿足設計要求。關鍵詞:飛行器 控制系統(tǒng) 時域 頻域 matlababstract：according to the controlled object and given the technical index requirements, involving the automatic control system, which not only have to guarantee the system designed has good performance, and meet given index requirement, also considering scheme reliability and economical efficiency, this course is designed in a given index, respectively for time domain and frequency domain method to design the system controller. this paper from the theoretical method respectively in time domain and frequency domain method for the control system of the time-domain performance index, reoccupy matlab before and after correction system simulation analysis and draw the laplace domain response curve, calculates the time-domain performance indicators, the verification, and meet the design requirements.key words: aircraft control system time-domain frequency domain matlab目 錄1設計要求1 1.1初始條件1 1.2設計任務12 用時域方法設計系統(tǒng)控制器1 2.1題目分析1 2.2超調量計算2 2.3穩(wěn)態(tài)誤差3 2.4上升時間3 2.5調節(jié)時間43 用頻域方法設計系統(tǒng)控制器 4 3.1理論分析4 3.2參數(shù)計算44 matlab仿真分析5 4.1 階躍響應曲線及性能指標5 4.2 matlab頻域分析75 心得體會10參考文獻11飛行器控制系統(tǒng)設計1 設計要求 1.1 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：1.2 設計任務：控制系統(tǒng)的時域性能指標為：單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443最大超調量5%上升時間0.005sec調節(jié)時間0.005sec控制系統(tǒng)的頻域性能指標為：單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443相位裕量大于2 用時域方法設計飛行器控制系統(tǒng)2.1 題目分析：已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可得：令= 所以開環(huán)傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差為所以，取 超調量 又因為=361.2 由于， 顯然條件不成立。所以說一定要加入一定的性能改善環(huán)節(jié)。通過分析，要達到指定的時域性能指標，需要加入一個測速反饋調節(jié)。如圖1所示： 圖1 測速反饋控制系統(tǒng) 其中，為測速反饋系數(shù) 開環(huán)傳遞函數(shù) 加入測速反饋后開環(huán)傳遞函數(shù)： 即： 閉環(huán)傳遞函數(shù) 2.2 超調量計算當輸入為單位階躍函數(shù)時 對上式取拉氏反變換，求得單位階躍響應為 式中， 將階躍響應函數(shù)對求導，并令其為零，求得 即 將上式代入階躍響應函數(shù)，得輸出量的最大值 按超調量定義式，求得 超調量 所以取=0.7 阻尼比 （） 2.3 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 將代入式中得到 取=3161，得：k=2220.4由式可解得=0.00040675 2.4 上升時間對上式令，求得 所以上升時間1），叫時間常數(shù)。3.2參數(shù)計算單位斜坡輸入穩(wěn)態(tài)誤差 k取182 開環(huán)傳遞函數(shù) 令 （為截止頻率） 求得 相角裕度 超前網(wǎng)絡對頻率在至之間的輸入信號有明顯的微分作用，在該頻率范圍內，輸出信號相角比輸入信號相角超前，在最大超前角頻率處，具有最大超前角，且正好處于頻率和的幾何中心。為補償角是用于補償因超前校正裝置的引入，使系統(tǒng)截止頻率增大而增加的相角滯后量。未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性在截止頻率處的斜率為，故取。所以有 所以最大超前角 所以a=16 根據(jù)解得 所以加入校正為： 所以加入校正后： 4 matlab仿真分析 4.1 階躍響應曲線及性能指標校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為matlab編程如下： k=2257.857;num=1;den=conv(1,0,0.000226 1);sys=tf(k*num,den);lsys=feedback(sys,1,-1);y,t,x=step(lsys);plot(t,y);結果如圖2所示 圖2 階躍響應曲線 在matlab提示符后，輸入ltiview，啟動該圖形軟件。從file的下拉菜單中選中import選項選擇需要仿真的系統(tǒng)。選擇窗口中的lsys系統(tǒng)，并用鼠標點擊ok。在畫面中點擊鼠標右鍵，選擇“characteristics”選項，再選擇“peak time”項可得階躍響應曲線中的峰值時間為0.00139。在畫面中點擊鼠標右鍵，選擇“characteristics”選項，再選擇“settling time”、“rise time”、“steady state”選項可得階躍響應曲線中的調節(jié)時間為0.00189，上升時間為0.000643,穩(wěn)態(tài)值為1（穩(wěn)態(tài)誤差為0）。結果如圖3所示： 圖 3 階躍響應曲線性能指標 4.2 matlab頻域分析 未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為 matlab編程如下： num=819000; den=1 361.2 0; sys=tf(num,den); margin(sys) 結果如圖4所示： 圖 4 未校正開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖 校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為 matlab編程如下： num=1834.56 819000; den=0.00014 1.050568 361.2 0; sys=tf(num,den); margin(sys) 結果如圖5所示： 圖5 校正后開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖經(jīng)驗證，校正后的系統(tǒng)滿足：單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差0.000443相位裕量為所以加入串聯(lián)超前校正可行。5心得體會自動控制技術已廣泛應用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航天及航空等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極大地提高了社會勞動生產(chǎn)率，改善了人們的勞動環(huán)境，豐富和提高了人們的生活水平。在今天的社會生活中，自動化裝置無處不在，為人類文明進步做出了極大的貢獻。這次自動控制原理課程設計中也讓我了解到了自動控制在多方面的應用。平常我們上自動控制原理課時，老師講的都是理論知識，沒有試驗的驗證與對比，我感覺很難理解這些知識，為了應付作業(yè)和考試，我也只是略微了解了些原理，把公式記牢就夠了。然而在這次自動控制原理課程設計中，就暴露了許多問題。我開始在做飛行器控制系統(tǒng)設計時，按部就班的套用書上的公式，算完系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)時域性能指標后，在matlab中仿真分析，發(fā)現(xiàn)得到的階躍響應曲線與理想中的有差距，從圖中就可以看出來只滿足了部分時域性能指標，在與校正前的曲線比較就很容易發(fā)現(xiàn)問題，采用數(shù)型結合的方法很快得到正確的參數(shù)。雖然這次自動控制原理課程設計只有一周的時間，由于這一周里還有自控考試，我為了準備考試雖然沒有花太多的時間，但通過我在做課程設計時，翻書、上網(wǎng)查資料，與同學討論，讓我的實際動手能力增強的很多，讓我對自動控制原理這門課程所學的知識有了進一步的理解，加深了對理論基礎知識的掌握，讓我們學以致用，使我們的知識掌握的更加牢固，感謝老師們耐心的輔導和參考模板，感謝老師們能理解我們有考試的苦衷，感謝老師們給我們時間獨立的思考。這激發(fā)