自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)超前

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)語平時(shí)（20）報(bào)告（40）（30）總成績(jī)?cè)O(shè)計(jì)（40）專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 動(dòng)1001 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 費(fèi)克玲 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2013 年 01月 11日目錄1.設(shè)計(jì)目的32.設(shè)計(jì)內(nèi)容32.1 題目要求32.2 用頻率法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)超前校正的一般步驟33.設(shè)計(jì)過程和步驟43.1 確定開環(huán)增益43.2 畫出未校正系統(tǒng)的伯德圖43.3 確定校正裝置最大超前相角53.4 計(jì)算角53.5 計(jì)算校正裝置在處的幅值63.6 計(jì)算超前校正網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率63.7 畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖63.8 畫出兩次校正之后

2、的Bode圖74.軟件仿真85.電路模擬及結(jié)果分析：106.思考127.心得體會(huì)138.參考文獻(xiàn)14連續(xù)定常系統(tǒng)的頻率法超前校正1.設(shè)計(jì)目的(1)了解串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響；(2)掌握用頻率特性法分析自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法；(3)掌握串聯(lián)超前校正裝置的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)；(4)掌握設(shè)計(jì)給定系統(tǒng)超前校正環(huán)節(jié)的方法，并用仿真技術(shù)驗(yàn)證校正環(huán)節(jié)理論設(shè)計(jì)的正確性；(5)掌握設(shè)計(jì)給定系統(tǒng)超前校正環(huán)節(jié)的方法，并模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證校正環(huán)節(jié)理論設(shè)計(jì)的正確性。2.設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 題目要求已知單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：設(shè)計(jì)超前校正裝置，使校正后系統(tǒng)滿足：2.2 用頻率法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)

3、超前校正的一般步驟(1)根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定系統(tǒng)的開環(huán)增益；(2)根據(jù)確定的開環(huán)增益，畫出未校正系統(tǒng)的伯德圖，求出其相位裕量；(3)由給定的相位裕量值，計(jì)算超前校正裝置應(yīng)提供的相位超前量，即：式中的是用于補(bǔ)償因超前校正裝置的引入，使系統(tǒng)的剪切頻率增大而增加的相角遲后量。值通常是這樣估計(jì)的：如果未校正系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在剪切頻率處的斜率為，一般?。蝗绻擃l段的斜率為，則取(4) 根據(jù)所確定的最大相位超前角，按下式算出相應(yīng)的值:(5)計(jì)算校正裝置在處的幅值(參見圖1)。由未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性圖,求得其幅值為處的頻率，該頻率就是校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率，即；(6)確定校正網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率和

4、：(7)畫出校正后系統(tǒng)的伯德圖，并驗(yàn)算相位裕量是否滿足要求?如果不滿足，則需增大值,從步驟(3)開始重新進(jìn)行計(jì)算,超前校正裝置的傳遞函數(shù)為：超前校正網(wǎng)絡(luò)的伯德圖如圖1為：圖1 超前校正網(wǎng)絡(luò)的Bode圖3.設(shè)計(jì)過程和步驟3.1 確定開環(huán)增益根據(jù)給定靜態(tài)誤差系數(shù)的要求，確定開環(huán)增益KsG(s)=s*得K=150。3.2 畫出未校正系統(tǒng)的伯德圖在MATLAB中輸入以下語句：>> Go=zpk(,0 -10 -100,150000);>> bode(Go)>> margin(Go)得到未校正系統(tǒng)的Bode圖，如圖2：圖2 未校正系統(tǒng)的Bode圖由上圖可知，未校正系統(tǒng)

5、的相角余度，剪切頻率rads，幅值余度Gm=-2.69dB。3.3 確定校正裝置最大超前相角由題目要求可知，校正后的系統(tǒng)的超調(diào)量高階系統(tǒng)有以下公式，超調(diào)量：諧振峰值：由以上公式可得，由于系統(tǒng)在剪切頻率處的斜率為-40db/dec,一般取，取，則有3.4 計(jì)算角由下式：得到。3.5 計(jì)算校正裝置在處的幅值由未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性圖，求得其幅值為-處的頻率，該頻率就是校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率，即,計(jì)算校正裝置在處的幅值為:由系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性圖得，未校正系統(tǒng)在開環(huán)對(duì)數(shù)幅值-9.8172dB處對(duì)應(yīng)的頻率為68.6dB。3.6 計(jì)算超前校正網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率由于，就有 ，則，即超前校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)是：

6、3.7 畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳函為：在Matlab中輸入以下命令：>> Go=zpk(-17.96,0 -10 -100 263.9,2218934.9);>> bode(Go)>> margin(Go)得到校正后系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的Bode圖如圖3,由圖可以得到，校正后系統(tǒng)的相角裕度為。此時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量，不符合要求。再返回到第三步進(jìn)行校正，此時(shí)，原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：剪切頻率為68.6rad/sec。Bode圖在剪切頻率處的斜率為-20dB/dec，取，則有圖3 第一次校正后系統(tǒng)的Bode圖求出：校正網(wǎng)絡(luò)在剪切角頻率處的幅值為，未校正系統(tǒng)在幅值

7、為-3.598的頻率為，則校正系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率分別為：對(duì)應(yīng)的校正裝置的傳函為：3.8 畫出兩次校正之后的Bode圖兩次校正之后，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：兩次校正之后，系統(tǒng)的伯德圖如下：在Matlab中輸入以下命令：>> Go=zpk(,0 -10 -100,150000);>> bode(Go)>> margin(Go)>>hold on>>G1=zpk(-17.96 -59.47,0 -10 -100 -263.9 -136.2,5081142.4);>>bode(G1)>>margin(G1) 圖4 兩次校正后裝置的

8、Bode圖由圖4可知，校正后系統(tǒng)的剪切頻率為90.6rad/dec，相角裕量為47deg，此時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為29.6%，滿足要求。4.軟件仿真圖5 Simulink仿真圖圖6 仿真結(jié)果如圖5所示是校正前后系統(tǒng)在simulink下面的仿真原理圖,如圖6校正前后系統(tǒng)在simulink下面的階躍響應(yīng)曲線。由圖可知，系統(tǒng)在為校正前單位階躍響應(yīng)是發(fā)散的，在校正一次后系統(tǒng)便穩(wěn)定了，但是超調(diào)量有點(diǎn)大，在校正兩次之后系統(tǒng)不但穩(wěn)定而且剪切頻率也增大了超調(diào)也降低了。5.電路模擬及結(jié)果分析：如圖8所示為未校正系統(tǒng)的模擬電路圖：圖8 未校正系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖圖9 校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：畫圖步

9、驟：（1） 將系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)成簡(jiǎn)單的積分、慣性、比例積分環(huán)節(jié)； （2） 根據(jù)比例算出相應(yīng)的參數(shù)； （3）連出相應(yīng)硬件圖。 校正后系統(tǒng)的模擬電路如圖10:圖10 校正后系統(tǒng)硬件圖圖11 校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)波形6.思考 （1）超前校超正對(duì)改善系統(tǒng)性能有什么作用？什么情況下不宜采用超前校正？答：當(dāng)控制系統(tǒng)的開環(huán)增益增大到滿足其穩(wěn)態(tài)性能所要求的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定，或者動(dòng)態(tài)性能不能滿足要求。在這種情況下，需要在系統(tǒng)的超前校正裝置中加一超前校正裝置。超前校正是通過其相位超前特性來改善系統(tǒng)的品質(zhì)；超前校正增大了系統(tǒng)的相位裕量和剪切頻率，從而減小瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，提高其快速性；超前校正對(duì)提

10、高穩(wěn)態(tài)精度作用不大；超前校正適用于穩(wěn)態(tài)精度已經(jīng)滿足、但瞬態(tài)性能不滿足要求的系統(tǒng)。當(dāng)未校正系統(tǒng)的相角在所需剪切頻率附近向負(fù)相角方面急劇減小時(shí)，采用串聯(lián)校正環(huán)節(jié)效果不大；或者當(dāng)需要超前相角的數(shù)量很大時(shí)，超前校正的網(wǎng)絡(luò)的系數(shù)值需選擇很小，從而使系統(tǒng)的帶寬過大高頻噪聲能順利通過系統(tǒng)。以上兩種情況不宜采用串聯(lián)超前校正。（2）有否其他形式的校正方案？參數(shù)如何？怎樣模擬？可以自己擬訂校正方案，分別通過仿真和實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。答：根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的位置，控制系統(tǒng)的校正方式有：（1）串聯(lián)校正；（2）反饋校正；(3)串聯(lián)反饋校正；（4）前饋校正；（5）符合校正五種形式。（3）分析校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線和Bod

11、e圖，說明校正裝置對(duì)改善系統(tǒng)性能的作用。答：增加開環(huán)頻率特性在剪切頻率附近的正相角，從而提高了系統(tǒng)的相角裕度；減小對(duì)數(shù)幅頻特性在幅值穿越頻率上的負(fù)斜率，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；提高了系統(tǒng)的頻帶寬度，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度； 不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但若原系統(tǒng)不穩(wěn)定或穩(wěn)定裕量很小且開環(huán)相頻特性曲線在幅值穿越頻率附近有較大的負(fù)斜率時(shí)，不宜采用相位超前校正；因?yàn)殡S著幅值穿越頻率的增加，原系統(tǒng)負(fù)相角增加的速度將超過超前校正裝置正相角增加的速度，超前網(wǎng)絡(luò)就起不到補(bǔ)償滯后相角的作用了。(4) 超前校正的原理是什么？ 答：超前校正裝置的傳遞函數(shù)為： 由于，則校正裝置會(huì)在中頻段產(chǎn)生足夠大的超前相角,以補(bǔ)償原系統(tǒng)過大的滯后相角7.心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)和我們習(xí)慣的單純的看書做題不一樣，他更考驗(yàn)我們對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。通過這次課程設(shè)計(jì)我可謂受益匪淺。首先當(dāng)然是對(duì)于課本知識(shí)的在學(xué)習(xí)和更深刻的理解，特別是對(duì)于校正系統(tǒng)，在試取值時(shí)需要耐心的驗(yàn)算，在校正后還需要前后的對(duì)比分析，是我更深刻的體會(huì)到了大學(xué)的課本知識(shí)和實(shí)際聯(lián)系還是很緊密的。其次是關(guān)于MATLAB這個(gè)軟件的學(xué)習(xí)，現(xiàn)在我已經(jīng)能使用這個(gè)軟件完成一些簡(jiǎn)單的計(jì)算能畫出伯德圖，根軌跡圖和Nyquist圖形以及simulink的仿真。過程中遇到了很多困難通過老師的指導(dǎo)、同學(xué)之間的交流和上網(wǎng)查詢一個(gè)個(gè)都解決了，感覺到憑自己的力量確實(shí)有點(diǎn)小。以后我會(huì)更加注重于