控制理論課程設(shè)計

1、控制理論課程設(shè)計報告專 業(yè)： 自 動 化_ 班 級： 2班_ 姓 名： 周瀚章_ 學(xué) 號： 130109021112_ 2016年6月13日目 錄1項目一1.1課程設(shè)計目的1.2課程設(shè)計要求1.3課程設(shè)計內(nèi)容1.4 分析與總結(jié)2 項目二2.1課程設(shè)計目的2.2課程設(shè)計要求2.3課程設(shè)計內(nèi)容2.4 分析與總結(jié)一、設(shè)計題目線性控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正二、串聯(lián)校正設(shè)計原理圖2-1為一加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的方框圖。圖中校正裝置Gc(S)是與被控對象Go(S)串聯(lián)連接。圖2-1 加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的方框圖串聯(lián)校正有以下三種形式： 1) 超前校正，這種校正是利用超前校正裝置的相位超前特性來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。2)

2、滯后校正，這種校正是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性，使系統(tǒng)在滿足穩(wěn)態(tài)性能的前提下又能滿足其動態(tài)性能的要求。3) 滯后超前校正，由于這種校正既有超前校正的特點，又有滯后校正的優(yōu)點。因而它適用系統(tǒng)需要同時改善穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的場合。校正裝置有無源和有源二種。基于后者與被控對象相連接時，不存在著負(fù)載效應(yīng)，故得到廣泛地應(yīng)用。兩種常用的校正方法：零極點對消法（時域法；采用超前校正）和期望特性校正法（采用滯后校正）。1.2課程設(shè)計要求（一）在MATLAB仿真軟件上完成系統(tǒng)的 頻域法串聯(lián)校正題目3： 已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，設(shè)計串聯(lián)校正裝置，使校正后系統(tǒng)滿足：1.3課程設(shè)計內(nèi)容（1） 畫

3、出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析系統(tǒng)穩(wěn)定時參數(shù)K的取值范圍。特征方程為s(s+1+)(s+2)+k=0由特征方程列勞次表 1 2 3 k 2- k若系統(tǒng)穩(wěn)定，則勞次表的第一列系數(shù)大于0，求得6>k>0Mablat程序如下：（2） k=10;（3） z=;（4） p=0,-1,-2;（5） num,den=zp2tf(z,p,k);（6） rlocus(num,den)未校正系統(tǒng)的根軌跡圖（2） 畫出校正前系統(tǒng)的bode圖，求出校正前系統(tǒng)的相角裕度；畫出校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，估算出超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。校正前的階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量：調(diào)節(jié)時間：Ts=10s由圖可知=-Matlab程序如下：

4、num=10; den=1 3 2 0; margin(num,den) grid 校正前系統(tǒng)的bode圖校正前階躍響應(yīng)曲線的程序：k=1;num=1;den=1 3 2 0 sys=tf(k*num,den); Lsys=feedback(sys,1,-1);y,t,x=step(Lsys);plot(t,y);ltiview  調(diào)節(jié)時間：響應(yīng)曲線從0到達(dá)并停留在穩(wěn)態(tài)值的正負(fù)5%或正負(fù)2%誤差范圍所需要的最小時間.超調(diào)量：系統(tǒng)在響應(yīng)過程中，輸出量的最大值超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)。（3） 根據(jù)參數(shù)要求選擇合適的校正方法，求出校正裝置的傳遞函

5、數(shù)。因為，題目要求相角裕度，選擇校正后系統(tǒng)的相角裕度= 由圖可知，對應(yīng)相角為時頻率為Wc=0.404,，幅值為21dB取20lgb=-21，得 b=0.08,去滯后裝置的第二個轉(zhuǎn)折頻率為0.1Wc=0.0404,則T=309.21， 所以，校正裝置傳遞函數(shù)為: =所以，校正后的傳遞函數(shù)為: =（4） 將校正前后的階躍響應(yīng)曲線畫在同一坐標(biāo)下（以方便校正結(jié)果的比較），并記錄校正前后系統(tǒng)的時域指標(biāo)。校正后階躍響應(yīng)曲線程序：k=10; num= 25.097,1;den=309.22,930.65,621.43,2,0 ;sys=tf(k*num,den); Lsys=feedback(sys,1,-

6、1);y,t,x=step(Lsys);plot(t,y);ltiviewgrid 校正前后畫在同一坐標(biāo)上的階躍響應(yīng)曲線（5） 在同一坐標(biāo)下畫出校正前后的Bode圖（以方便校正結(jié)果的比較），并記錄校正前后系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量。校正前： 相角裕度=- 幅值裕度19.2dB校正后：相角裕度=幅值裕度-2.952dB 校正后程序： num=250.97,10; den=309.22,930.65,621.43,2,0; margin(num,den)grid 同一坐標(biāo)下校正前校正后bode圖：（6）應(yīng)用所學(xué)的知識分析校正器對系統(tǒng)性能的影響1.超前校正的目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現(xiàn)在系統(tǒng)靜態(tài)性能

7、不受損的前提下，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性。一般使校正環(huán)節(jié)的最大相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)新的穿越頻率點。2.滯后校正通過加入滯后校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的開環(huán)增益有較大幅度增加，同時又使校正后的系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)保持原系統(tǒng)的良好狀態(tài)。它利用滯后校正環(huán)節(jié)的低通濾波特性，在不影響校正后系統(tǒng)低頻特性的情況下，使校正后系統(tǒng)中高頻段增益降低，從而使其穿越頻率前移，達(dá)到增加系統(tǒng)相位裕度的目的。3.滯后-超前校正適用于對校正后系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能有更多更高要求的場合。施加滯后-超前校正環(huán)節(jié)，主要是利用其超前部分增大系統(tǒng)的相位裕度，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性

8、能；利用其滯后部分改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。1.4 分析與總結(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計的思路之一就是在原特性的基礎(chǔ)上，對原特性加以校正，使之達(dá)到要求的性能指標(biāo)。常用的串聯(lián)校正裝置有超前校正、滯后校正、和超前滯后校正裝置。本實驗主要討論在MATLAB環(huán)境下進行串聯(lián)校正設(shè)計，然后通過用SIMULINK創(chuàng)建校正前后系統(tǒng)的模塊圖并觀察其超調(diào)量，整個過程使得我們對這幾種校正方法有了更直觀的認(rèn)識。2 項目二2.1課程設(shè)計目的1通過實驗，理解所加校正裝置的結(jié)構(gòu)、特性和對系統(tǒng)性能的影響；2掌握串聯(lián)校正幾種常用的設(shè)計方法和對系統(tǒng)的實時調(diào)試技術(shù)。2.2課程設(shè)計要求1觀測未加校正裝置時系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能；2按動態(tài)性能的要求，分別用時

9、域法或頻域法（期望特性）設(shè)計串聯(lián)校正裝置；3觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，并予以實時調(diào)試，使之動、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計要求；4利用上位機軟件，分別對校正前和校正后的系統(tǒng)進行仿真，并與上述模擬系統(tǒng)實驗的結(jié)果相比較。2.3課程設(shè)計內(nèi)容1零極點對消法(時域法)進行串聯(lián)校正1.1 校正前根據(jù)圖6-2二階系統(tǒng)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如圖6-12所示。圖6-12 二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(時域法)電路參考單元為：通用單元1、通用單元3、通用單元2、反相器單元在r輸入端輸入一個單位階躍信號，用上位機軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線，并與理論值進行比較。1.2 校正后在

10、圖6-12的基礎(chǔ)上加上一個串聯(lián)校正裝置(見圖6-3)，如圖6-13所示。圖6-13二階閉環(huán)系統(tǒng)校正后的模擬電路圖(時域法)電路參考單元為：通用單元1、通用單元6、通用單元3、通用單元2、反相器單元其中。在系統(tǒng)輸入端輸入一個單位階躍信號，用上位機軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線，并與理論值進行比較，觀測是否滿足設(shè)計要求。注：做本實驗時，也可選擇圖6-4中對應(yīng)的校正裝置，此時校正裝置裝置使用通用單元5、通用單元1，但510k和390k電阻需在無源元件單元取。 加校正裝置前后二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線2期望特性校正法2.1 校正前根據(jù)圖6-6二階系統(tǒng)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如圖6-14所示。圖6-14 二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(頻域法)電路參考單元為：通用單元1、通用單元3、通用單元2、反相器單元在系統(tǒng)輸入端輸入一個單位階躍信號，用上位機軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線，并與理論值進行比較。2.2 校正后在圖6-14的基礎(chǔ)上加上一個串聯(lián)校正裝置(見圖6-9)，校正后的系統(tǒng)如圖6-15所示。圖6-15二階閉環(huán)系統(tǒng)校正后的模擬電路圖(頻域法)注：80k電阻在實際電路中阻值可取82k。電路參考單元為：通用單元1、通用單元6、通用單元3、通用單元2、反相器單元在系統(tǒng)輸入端輸入一個