自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、 設(shè)計(jì)目的通過對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)分析，加強(qiáng)對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并掌握超前串聯(lián)校正設(shè)計(jì)的方法。通過設(shè)計(jì)，加深自己對(duì)自動(dòng)控制基本原理的理解，掌握自動(dòng)控制理論基本原理及一般電學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)控制方法，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。此外，使用Matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而進(jìn)一步掌握Matlab的使用方法。 二、課程設(shè)計(jì)題目及要求已知單位反饋水箱流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 要求：試用Bode圖設(shè)計(jì)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行超前串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足： （1）系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（2）系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量三、設(shè)計(jì)的主要流程（1）手畫出滿足初始條件的最

2、小值的系統(tǒng)的Bode圖，并計(jì)算出系統(tǒng)的剪切頻率和相角裕量；（2）在系統(tǒng)前向通道中插入一個(gè)相位超前校正網(wǎng)絡(luò)，確定校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；（3）用Matlab畫出校正后的系統(tǒng)Bode圖，并標(biāo)出開環(huán)剪切頻率及對(duì)應(yīng)的相角裕量；（4）在Matlab下，用simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在計(jì)算機(jī)上對(duì)人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；四、設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)為了使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求，對(duì)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻區(qū)現(xiàn)有以下要求：開環(huán)頻率特性的低頻段的要有一定的高度和斜率；開環(huán)頻率特性的中頻段的斜率一般要求在，并且具有一定的寬度；開環(huán)頻率特性的高頻段采用迅速衰減的特性，以抑制不必要的高頻干擾；因此，用頻域法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)

3、的實(shí)質(zhì)，就是在系統(tǒng)中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，是開環(huán)系統(tǒng)的頻率形狀變成所期望的形狀。五、設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益。由要求（1）：系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。我們可以得出：我們知道通過以上兩式求出， 因此取。（2）繪制值下的系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量。如圖一所示 101001000 20 40601-20dB/dec-40dB/dec-60dB/dec圖一：未校正的對(duì)數(shù)幅頻曲線待校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)上式是最小相位系統(tǒng)，只需畫出其對(duì)數(shù)幅頻特性，就可以求出系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率。由公式 由已知條件知，系統(tǒng)為單位斜坡作用，

4、得出由以上三式可求出未校正前對(duì)應(yīng)的相角裕量。 圖二：未校正系統(tǒng)的Bode圖由圖二得待校正系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率 可算出待校正系統(tǒng)的相角裕量為 相角裕量偏小，這是因?yàn)榇Ｕ到y(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性中頻區(qū)的斜率是，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性存在嚴(yán)重的衰減振蕩，這就需要我們對(duì)該系統(tǒng)加以校正。由于剪切頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求，故采用串聯(lián)超前校正裝置。 （3）確定為使相角裕量達(dá)到要求值，所需增的超前相角。 在和之間，是考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量，未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec，故取該值?？扇?，則 （4）令超前校正網(wǎng)絡(luò)的最大超前相角，求校正裝置的參數(shù)。 （5）確定未校正系統(tǒng)幅值為的頻率。校正后系統(tǒng)的

5、剪切頻率，校正網(wǎng)絡(luò)的對(duì)數(shù)幅值 可計(jì)算出未校正系統(tǒng)在該處的頻率，也可作為校正后的系統(tǒng)的剪切頻率。（6）下面計(jì)算校正網(wǎng)絡(luò)的周期。是和的幾何中點(diǎn)，所以有令由以上各式子求出（7）寫出校正裝置的傳遞函數(shù)。校正裝置的傳遞函數(shù)為（8）為補(bǔ)償超前校正網(wǎng)絡(luò)造成的幅值衰減，附加一個(gè)放大器則校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 傳遞函數(shù)如圖三所示R(s)C(s)校正裝置被控對(duì)象圖三：校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)接下來做出校正后的系統(tǒng)Bode圖，如圖四所示。圖四：校正后的系統(tǒng)的Bode圖（9）檢驗(yàn)系統(tǒng)的特性，校正后的相角裕量為： 由于校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足要求。由Matlab畫出校正后的Bode，可以得到穩(wěn)定性裕量的精確值，。與上面求的

6、值基本保持一致。由此可得，所選用的校正裝置能夠達(dá)到目的。（10）在Simulink仿真環(huán)境下對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與校正前比較。加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型如圖五所示。其中校正前和校正后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖六、七所示。 圖五： 加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型圖六：校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖七 ：校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線通過仿真曲線可以看出，校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，單位階躍響應(yīng)振蕩劇烈。而校正后的系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，其時(shí)域指標(biāo)性能指標(biāo)：無論是超調(diào)量還是調(diào)整時(shí)間都較小，故該校正裝置能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以取用。六、設(shè)計(jì)小結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)使我明白了當(dāng)開環(huán)傳遞函數(shù)中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性斜率為，并具有足夠的寬度時(shí)，

7、系統(tǒng)的相角裕量將會(huì)增大，動(dòng)態(tài)過程超調(diào)量才會(huì)下降，系統(tǒng)才會(huì)區(qū)域穩(wěn)定。這就要求我們?cè)趯?shí)際運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，使中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性維持在的斜率，并且具有一定的寬度。這次設(shè)計(jì)讓我了解了自動(dòng)控制原理中校正系統(tǒng)的基本概念及其對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用，學(xué)會(huì)了運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行簡單的系統(tǒng)校正。這次課程設(shè)計(jì)使我深刻體會(huì)到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。這就要求我們有相當(dāng)厚實(shí)的理論基礎(chǔ)，并能很好的運(yùn)用到實(shí)際中去。這次課程設(shè)計(jì)還讓我明白了許多從前不知道的知識(shí)，培養(yǎng)了自己運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)際操作的能力，熟悉了Matlab的基本操作功能，提高了自己分析問題、解決問題的能力。最后，感謝老師給我這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，讓我從中受益匪淺。 七、參考文獻(xiàn)：【1】謝克明. 自動(dòng)控制原理(第2版). 北京：電子工業(yè)出版社. 2009【2】李友善. 自動(dòng)控制原理. 北京：國防工業(yè)出版社，1981【3】胡壽松. 自動(dòng)控制原