自動控制原理課程設(shè)計報告-典型三階系統(tǒng)

1、 課程設(shè)計報告課程編號j1630102課程名稱自動控制原理課程設(shè)計學(xué)生姓名唐柱寬所在班級自動化1123聯(lián)系電話實施地點鐘海樓04004起止時間2014.12.08-2014.12.12指導(dǎo)教師徐今強職稱副教授一、課程設(shè)計的意義通過課程設(shè)計，使得我們對課堂所學(xué)自動控制原理的基本理論知識加深理解和應(yīng)用，熟練掌握利用計算機輔助分析的方法，進一步增強學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。同時學(xué)習(xí)和掌握典型高階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法；分析典型高階系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響；掌握典型系統(tǒng)的電路模擬和數(shù)字仿真研究方法。二、課程設(shè)計的內(nèi)容圖1 典型三階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖圖1 典型三階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖已知典

2、型三階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示：其開環(huán)傳遞函數(shù)為，本實驗在此開環(huán)傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上做如下實驗內(nèi)容：1 典型三階系統(tǒng)電路模擬研究；2 典型三階系統(tǒng)數(shù)字仿真研究；3 分析比較電路模擬和數(shù)字仿真研究結(jié)果。三、課程設(shè)計的要求:Step1根據(jù)給出的三階開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù) ，設(shè)計一個由積分環(huán)節(jié) 和慣性環(huán)節(jié) 與 組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖；Step 2在輸入端加入階躍信號，其幅值為3V左右，輸入、輸出端分別接雙蹤示波器兩個輸入通道；Step3單方向調(diào)節(jié)電位器（即改變開環(huán)增益），使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)分別為穩(wěn)定狀態(tài)、臨界穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)，記錄對應(yīng)的電位器的電阻值，同時觀察并記錄輸出波形，了解參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性

3、的影響；Step4調(diào)節(jié)電位器，使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，觀察示波器讀出系統(tǒng)穩(wěn)定時的輸出電壓值，讀出系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差并記錄，測量時，輸入電壓值保持不變；Step5保持電位器不動（增益不變），改變?nèi)h(huán)節(jié)時間常數(shù)T0，T1，T2，觀察時間參數(shù)改變對系統(tǒng)動靜態(tài)性能的影響，并記錄對應(yīng)的響應(yīng)曲線；Step6調(diào)用數(shù)字仿真軟件Matlab中的Simulink，完成上述典型系統(tǒng)的動靜態(tài)性能研究，并與模擬電路的研究結(jié)果相比較；Step 7分析結(jié)果，完成課程設(shè)計報告四、仿真結(jié)果A.電路模擬研究：1、設(shè)計的模擬電路及說明該系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 其中T0=10u*100k=1S；T1=1u*100k=0.1S；

4、T2=1u*500k=0.5S；K1=100k/100k=1；K2=500/Rx；即 其中，K=500/Rx，Rx的單位為kW。系統(tǒng)特征方程為 ，根據(jù)勞斯判據(jù)得到：當(dāng)0<K<12時，系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)K=12時，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，作等幅振蕩；當(dāng)K>12時，系統(tǒng)不穩(wěn)定。根據(jù)K求取Rx，改變Rx即可實現(xiàn)三種類型的實驗。畫出它們分別對應(yīng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定的三種情況響應(yīng)曲線。事實上，除了開環(huán)增益K對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性有影響外，系統(tǒng)中任何一個時間常數(shù)的變化對系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有影響，對此說明如下：令系統(tǒng)的截止頻率為wc，則在該頻率時的開環(huán)頻率特性的相位為： 相位裕量為： 由此可見，時

5、間常數(shù)T1和T2的增大都會使相位裕量減小，改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、模擬電路仿真研究結(jié)果(1)K=10， T0=1，Tl=0.1， T2=0.5 (2)K=12， T0=1，Tl=0.1， T2=0.5 (3)K=15， T0=1，Tl=0.1， T2=0.5 (4)K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055 (5) K =15，T0=0.55，Tl=0.25，T2 =0.15 (6)K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.55B數(shù)字仿真研究：(1)K=10， T0=1，Tl=0.1， T2=0.5仿真圖：仿真波形： 實驗數(shù)據(jù)：最大超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差0.8523.0

6、1S0.005(2)K=12， T0=1，Tl=0.1， T2=0.5仿真圖：仿真波形： 實驗數(shù)據(jù)：最大超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差0.729.79S0.002(3)K=15， T0=1，Tl=0.1， T2=0.5 仿真圖：仿真波形： 實驗數(shù)據(jù)：最大超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差0.729.79S0.002(4)K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055 仿真圖：仿真波形：實驗數(shù)據(jù)：最大超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差0.8411.56S0.004(5) K =15，T0=0.55，Tl=0.25，T2 =0.15仿真圖：仿真波形：實驗數(shù)據(jù)：最大超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差0.709.84S0.003 (

7、6)K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.55仿真圖：仿真波形：實驗數(shù)據(jù)：最大超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差0.709.84S0.003五、電路模擬和數(shù)字仿真研究結(jié)果分析和比較通過兩個軟件的仿真，可得到當(dāng)改變T0、T1、T2時，會改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如在步驟（1）和（3）的仿真圖中三個值都改變了，雖然波形大體上很相似，但是超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都已經(jīng)改變了，當(dāng)T0、T1、T2都減小時，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都減小了。在步驟（5）中K=15，這表明了系統(tǒng)已經(jīng)在離散狀態(tài)，穩(wěn)定K、T0、T1,而改變T2時，當(dāng)T2逐漸增大時，即慣性慢慢增大，離散的形狀也會變大。在步驟（6）的時候，是穩(wěn)定T0、T1、T2而改

8、變K，由圖可看出，當(dāng)0<K<12時，系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)K=12時，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，做等幅震蕩；當(dāng)K>12時，系統(tǒng)不穩(wěn)定。六、課程設(shè)計總結(jié)：本次自控課程設(shè)計主要是進行典型三階系統(tǒng)數(shù)字和模擬仿真研究。此次仿真中主要是利用比例環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)進行三階系統(tǒng)的設(shè)計，再結(jié)合一個比例環(huán)節(jié)進行反饋。通過綜合設(shè)計，讓我對課堂所學(xué)自動控制原理的基本理論知識加深理解和應(yīng)用，學(xué)會了利用計算機輔助分析的方法，進一步增強自己的分析問題和解決問題的能力。同時，也掌握典型高階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法；分析典型高階系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響；知道了典型系統(tǒng)的電路模擬和數(shù)字仿真研究方法。當(dāng)然，由于時

9、間問題，沒有進行實物仿真，只是用軟件進行了模數(shù)模擬，不過整體效果達到了此次實驗的仿真要求，完成了本次綜合試驗的要求。通過這次自動控制原理課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。這個方案使用了Matlab和Proteus軟件，使我們有掌握了一個軟件的應(yīng)用。 我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個原理的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多原理的功能。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個期末的課程設(shè)計對我們的作用是非常大的。 我想說，設(shè)計確實有些困難，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機會能有實踐的機會。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認為設(shè)計的工作有些枯燥，但我認為無論干什么，只要認真去做，一定會有好結(jié)果的。對我們而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。雖然不是第一次做課程設(shè)計了，但是設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠