自动控制课程设计报告终结版.doc
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自动控制原理课程设计报告
自动控制原理课程设计
指导教师评语
平时(20)
报告(40)(30)
总成绩
设计(40)
专业:
班级:
姓名:
学号:
指导教师:
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2013年01月11日
目录
控制系统超前校正 2
1.问题描述 2
1.1设计目的 2
1.2设计内容 2
1.3超前校正及其特性 2
1.4系统参数设计步骤 4
2.校正系统设计 5
2.1控制系统的任务要求 5
2.2校正前系统分析 5
2.3校正系统的设计与分析 7
2.4校正前后系统比较 10
2.5软件仿真 11
2.6硬件实验模拟电路 13
2.7部分分析题解答 14
3.课程设计总结 15
参考文献 16
控制系统超前校正
1.问题描述
1.1设计目的
(1)了解串联超前校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响;
(2)掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法;
(3)掌握串联超前校正装置的设计方法和参数调试技术;
(4)掌握设计给定系统超前校正环节的方法,并用仿真技术验证校正环节理论设计的正确性。
(5)掌握设计给定系统超前校正环节的方法,并模拟实验验证校正环节理论设计的正确性。
1.2设计内容
已知单位反馈控制系统的开环传递函数为:
设计超前校正装置,使校正后系统满足:
1.3超前校正及其特性
超前校正就是在前向通道中串联传递函数为:
(1-1)
通常a为分度系数,T叫时间常数,由式(1-1)可知,采用无源超前网络进行串联校正时,整个系统的开环增益要下降a倍,因此需要提高放大器增益交易补偿.如果对无源超前网络传递函数的衰减由放大器增益所补偿,则
(1-2)
上式(1-2)称为超前校正装置的传递函数。
而无源超前校正网络的对数频率特性如图1-1。
图1-1无源超前校正网络的对数频率特性
超前校正RC网络图如图1-2。
图1-2超前校正RC电路图
显然,超前校正对频率在1/aT和1/T之间的输入信号有微分作用,在该频率范围内,输出信号相角比输入信号相角超前,超前网络的名称由此而得。
因此超前校正的基本原理就是利用超前相角补偿系统的滞后相角,改善系统的动态性能,如增加相位裕度,提高系统的稳定性等。
下面先求取超前校正的最大超前相角及取得最大超前相角的频率,
则像频特性:
(1-3)
当则有:
(1-4)
(1-5)
从而有:
=(1-6)
即当时,超前相角最大为,可以看出只与a有关这一点对于超前校正是相当重要的。
1.4系统参数设计步骤
(1)根据给定的系统性能指标,确定开环增益K。
(2)利用已确定的开环增益K绘制未校正系统的伯德图,在这里使用MATLAB软件来绘制伯德图显得很方便,而且准确。
(3)在伯德图上量取未校正系统的相位裕度和幅值裕度,在这里可以利用MATLAB软件的margin函数很快计算出系统的相角裕度和幅值裕度并绘制出伯德图。
然后计算为使相位裕度达到给定的指标所需补偿的超前相角其中为给定的相位裕度指标,为未校正系统的相位裕度,为附加的角度。
(当剪切率为-20dB时,可取5-10°,剪切率为-40dB时,可取10-15°,剪切率为-60dB时,可取15-20°。
)
(4)取,即所需补偿的相角由超前校正装置来提供,从而求出求出a。
(5)取未校正系统的幅值为-10lga(dB)时的频率作为校正后系统的截止频率。
为使超前校正装置的最大超前相角出现在校正后系统的截止频率上,即。
(6)由计算出参数T,并写出超前校正传递函数。
(7)检验指标:
绘制系统校正后的伯德图,检验是否满足给定的性能指标。
当系统仍不能满足要求时增大值,从步骤3开始重新计算设计参数啊a和T。
2.校正系统设计
2.1.控制系统的任务要求
已知一单位反馈系统的开环传递函数是
自设定取。
并要求矫正后的系统满足要求:
,,。
2.2.校正前系统分析
有设定有待校正的系统的开环传递函数为:
通过静态速度误差常数可求得K=2
可以用MATLAB画出未校正相位系统的伯德图。
程序如下:
num=2;den=[0.25,1.25,1,0];
bode(num,den);
grid
从而得到未校正系统的伯德图,如图2-1。
图2-1校正前系统的伯德图
利用软件MATLAB中的margin函数又可以很方便的地得出系统未校正的相角裕度和幅值裕度。
程序如下:
num=[2];
den=[0.25,1.25,1,0];
margin(num,den);
从而得到图2-2,从中可以知道系统的的幅值裕度和相位裕量。
图2-2校正前系统的相角裕度和幅值裕度
从图2-2中,得知系统未校正前:
相位裕量=22.6
截止频率=1.21
2.3.校正系统的设计与分析
显然相位裕量不满足要求,我们需要在对数相频特性曲线上找到这样一个频率点,然后计算为使相位裕度达到给定的指标所需补偿的超前相角其中为给定的相位裕度指标,为未校正系统的相位裕度,为附加的角度。
(当剪切率为-20dB时,可取5-10°,剪切率为-40dB时,可取10-15°,剪切率为-60dB时,可取15-20°。
)
根据题目要求,故由公式,可得,取,再由可求得47.4。
则可求得
继而可以通过求出的a计算出,。
于是求得超前校正网络的传递函数为
为了补偿因超前校正网络而造成的系统开环增益衰减必需使附加放大器的放大倍数为6.579,校正后系统的开环传递函数为
在计算参数、确定开环传递函数之后,还必须使用其它的方法来进行检验,看所加的校正装置参数选择是否符合题意,满足要求。
在这里利用MATLAB绘图来进行验证,用MATLAB计算校正后的相角裕度和幅值裕度,程序如下:
>>z=[-0.78];p=[0,-1,-4,-3.10],k=13.16;
>>[num1,den1]=zp2tf(z,p,k);
>>[numc1,denc1]=cloop(num1,den1);
>>[mag,phase,w]=bode(numc1,denc1);
>>margin(mag,phase,w);
图2-3校正后系统的相角裕度和幅值裕度
经分析可以看出已经满足校正系统要求
用MATLAB画出校正以后系统的伯德图,
程序分别如下:
>>z=[-0.78];p=[0,-1,-4,-3.10],k=13.16;
>>[num1,den1]=zp2tf(z,p,k);
>>[numc1,denc1]=cloop(num1,den1);
>>bode(numc1,denc1);
>>grid
得到校正后系统的伯德图2-4。
图2-4校正后系统的伯德图
2.4.校正前后系统比较
运用MATLAB软件作系统校正前后的单位冲击响应曲线比较,程序如下:
num1=[2];
den1=[0.25,1.25,1,0];
num2=[13.6,10.26];
den2=[0.25,2.025,4.875,3.10,0];
t=[0:
0.02:
6];
[numc1,denc1]=cloop(num1,den1);
y1=step(numc1,denc1,t);
[numc2,denc2]=cloop(num2,den2);
y2=step(numc2,denc2,t);
plot(t,[y1,y2]);
grid;
title('校正前后阶跃响应对比图');
xlabel('t(sec)');
ylabel('c(t)');
gtext('校正前');
gtext('校正后');
得到校正前后阶跃响应对比图,如图2-5所示:
图2-5校正前后阶跃响应对比图
由上图可以看出在校正后:
加入校正装置系统的超调量明显减少了,阻尼比增大,动态性能得到改善。
校正后系统的调节时间大大减少,大大提升了系统的响应速度。
校正后系统的上升时间减小很多,从而提升了系统的响应速度。
因此,串入超前校正装置后,系统的超调量,调节时间都显著下降,系统的动态性能得到很大的改善。
比较校正前后伯德图2-1和2-5,可以得知系统经串联校正后,中频区的斜率变为-20dB/dec,,在实际运行中的控制系统中,其中频区斜率大多具有-20dB/dec的斜率,由此可见,串联超前校正可使开环系统的截止频率增大,从而闭环系统的带宽也增大,使响应速度加快。
但也有不完美的地方就是这次校正并没有能够降低系统的超调量。
2.5软件仿真
在MATLAB的SIMULINK环境下的仿真
未校正系统的搭建图框图如图2-6所示。
图2-6未校正仿真框图
未校正系统的仿真图如图2-7所示。
图2-7未校正仿真图
校正后系统的搭建图框图如图2-8所示。
图2-8校正仿真框图
校正后系统的搭建图框图如图2-9所示。
图2-9校正后仿真图
实验结果分析
由图2-9可看出经校正后的系统调节时间大大减小,提升了系统的响应速度。
校正后系统的上升时间减少,使系统能够在很短的时间内达到稳定。
2.6硬件物理实验模拟电路
超前校正前系统的模拟原理图如图2-10所示。
图2-10超前校正前系统的模拟原理图
超前校正后系统的模拟原理图如图2-11所示。
图2-11超前校正后系统的模拟原理图
2.7对于部分思考题的作答
(1)超前校正对改善系统性能有什么作用?
什么情况下不宜采用超前校正?
答
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