自动控制原理B课程设计.docx

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自动控制原理B课程设计

南京工程学院

课程设计任务书

课程名称自动控制原理B

院（系、部、中心）电力工程学院

专业

班级

姓名

学号

起止日期2013.12.16~2013.12.27

指导教师

1．课程设计应达到的目的

1、通过控制系统闭环仿真熟悉课程设计的基本流程；

2、掌握控制系统的数学建模；

3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析；

4、掌握频率法校正或根轨迹法校正；

5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作；

6、学会用MATLAB进行基本仿真。

2．课程设计题目及要求

设计要求

1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。

2．构成开环系统，并分析器动态响应。

3．测出各环节的放大倍数及其时间常数。

4．对系统进行扰动分析。

5．比较开环时和闭环时的动态响应。

6.采用某种校正方式实现系统的稳定控制。

7．对本课程设计提出新设想和新建议。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

课程设计任务

（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解控制对象的工作原理。

（2）总体方案的构思 

根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。

广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。

画出其原理框图。

（3）总体方案的确定 

可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。

（4）系统实现

用MATLAB进行仿真，实现开环控制，记录实验数据。

引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据。

4．主要参考文献

1、薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京:

清华大学出版社,2000.

2、飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助控制系统设计与仿真.北京:

电子工业出版社,2005.

3、胡寿松.自动控制原理.4版.北京:

科学技术出版社,2001.

4、白继平，徐德辉.基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，2004（4）：

77-80.

5、徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度PID与预测控制[J].武汉理工大学学报.2004.8（28）:

554-557.

5．课程设计进度安排

起 止 日 期

工作内容

2013年12月16日－12月17日

12月18日－12月19日

12月20日－12月23日

12月24日－12月25日

12月26日－12月27日

找寻控制对象，认识系统构成和原理分析

数学建模

控制策略研究和仿真

仿真和调试

撰写设计说明书、设计计算书及资料整理

6．成绩考核办法

1、考核方法：

平时表现，设计成果，答辩表现。

2、成绩评定：

平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%。

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

自动控制系统课程设计

题目：

转子绕线机控制系统的校正设计仿真

摘要：

利用MATLAB软件的Simulink仿真平台,对转子绕线机控制系统进行数学建模和系统仿真,并结合Bode图进行分析研究,确定调节系统的控制器参数,从而获得理想的设计结果.通过对其进行仿真研究,验证了设计的可行性。

关键词：

绕线机;超前校正;极点配置;Matlab

Calibrationofrotorwindingmachinecontrolsystemdesignandsimulation

Abstract：

UseofMATLABsoftwareSimulinksimulationplatform,therotorwindingmachinecontrolsystemmathematicalmodelingandsimulation,andcombiningtheBodechartanalysis,thecontrollerparametersofcontrolsystem,toobtainidealresultofthedesign.Throughcarriesonthesimulationstudy,verifythefeasibilityofthedesign.

Keywords:

windingmachine;Advancedcorrection;Poleassignment;MATLAB.

0、引言

 转子绕线机，顾名思义绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。

原电动工具行业常用手动绕线设备效率低、精度差，不能适应电动工具行业生产规模化发展的需要。

本设计是通过改进电动机转子线圈的绕制方式完成设计一种转子绕线机，旨在提高 电枢制造的自动化程度，减轻绕线劳动强度，提高电枢的整体质量，实现绕线槽满率高，绕线圈数精确，降低废品率，同时兼顾操作者的方便性。

它用直流电机来缠绕铜线，能快速准确地绕线，并使线圈连贯坚固。

采用自动绕线机后，操作人员只需从事插入空的转子，按下启动按钮和取下绕好线的转子等简单操作。

1、建模分析

转子绕线机控制系统的开环传递函数:

要求达到性能指标：

系统的静态速度误差系数

，

。

2、设计方案

整体框图

根据要求设计超前校正装置，确定各参数值，通过matlab对校正系统的编程分析，最终确定满足要求的传递函数，并通过matlab绘制系统的bode图、根轨迹以及通过Simulink对系统进行阶跃函数的仿真，计算时域指标。

分析与计算

由初始条件可知，系统的开环传递函数是：

，要求校正后的速度误差系数

，首先将传递函数化简成标准形式，可得到：

根据速度误差系数公式

可得到：

K=750，则开环传递函数为:

3、仿真过程及分析

1）原系统单位阶跃响应

原系统单位阶跃响应

由上图可知，系统的峰值时间

=0.5s，系统不稳定，此时的系统性能较差。

2）原系统BODE图

程序如下：

K=750;

G=zpk（[],[0-5-10],K）

bode（G）;grid;

[h,r,wx,wc]=margin（G）

原系统BODE图

可得到相角裕度r=2.3353e-005，截止频率

=7.07rad/s，穿越频率

=7.07rad/s，幅值裕度h=1。

3）校正前系统的Nyquist曲线

程序如下：

num=[15]

den=[0.02,0.3,1,0]

nyquist（num,den）

校正前系统的Nyquist曲线

4）校正前系统根轨迹

程序如下：

num=1

den=conv（conv（[1,0],[1,5]）,[1,10]）

rlocus（num,den）

校正前系统根轨迹

5）校正过程

输入程序：

>>num=15

den=conv（[0.2,1,0],[0.1,1]）

G=tf（num,den）

num=

15

den=

0.02000.30001.00000

Transferfunction:

15

----------------------

0.02s^3+0.3s^2+s

载入SISO

增加超前网络

得到超前网络的传递函数：

0.15428*（1+0.18S）/（1+0.12S）

计算得到系统校正后的传递函数

6）校正后系统的bode图

输入程序：

num=2.3142*[0.18,1]

den=conv（conv（[1,0],[0.2,1]）,conv（[0.1,1],[0.12,1]））

sys=tf（num,den）

w=logspace（-3,3,100）

bode（sys,w）

grid

[Gm,Pm,Wg,Wc]=margin（sys）

校正后系统的bode图

结果：

幅值裕度Gm=7.8000

相角裕度Pm=61.2036

相角穿越频率Wg=8.7108

截止频率Wc=2.1567

7）

校正后的单位阶跃响应

校正后的单位阶跃响应

根据超调量公式

，结合图中数据，可大致得到超调量

=20%。

超调量减小，但响应速度可能会变慢。

通过对系统开环传递函数的校正，可以看出，校正之后系统最终趋于一个稳定的值，而不像校正之前的程发散状态。

从bode图可以看到，校正后系统的相角裕度为61.2度，静态速度误差系数为15，均满足题目要求，由此可以看出，串入的超前传递函数达到了预期的要求。

8）校正后系统的Nyquist曲线

输入程序：

num=[0.416556,2.3142]

den=[0.0024,0.056,0.42,1,0]

nyquist（num,den）

校正后系统的Nyquist曲线

4、课程设计结论

串联超前校正显著提高了系统的稳定性。

5、课程设计心得体会

通过这次的课程设计，我对仿真软件matlab的强大功能有了进一步的了解，比如绘制根轨迹、bode图等，这为我以后更好的应用这款软件奠定了基础。

通过本学期对《自动控制原理》这门课程的学习，使我对本专业有了更深的了解。

课堂学习主要注重于理论知识，而我们要将所学知识应用于实际，在此阶段，课程设计便是最好的选择了，通过课程设计，我们可以温习我们所学的理论知识，同时为将理论知识运用于实际搭建了一个很好的平台，不仅如此，通过这次的课程设计，使我知道了在当今的信息技术如此发达的世界中，我们必须运用多种渠道，去学习研究。

并要很好的运用计算机和一些软件，只有这样，我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。

还有就是提高了自主解决问题的能力。

参考文献

1、反馈控制系统设计与分析,薛定宇,北京,清华大学出版社,2000,4.

2、MATLAB7辅助控制系统设计与仿真,飞思科技产品研发中心,北京,电子工业出版社,2005,3.

3、自动控制原理（第四版）,胡寿松,北京,科学技术出版社,2001,2