自动控制原理课程设计.docx
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自动控制原理课程设计
大学水利与能源动力工程学院
课程实习报告
课程名称:
自动控制原理及专业软件课程实习
题目名称:
三阶系统分析与校正
年级专业及班级:
建电1402
姓名:
王杰
学号:
141504230
指导教师:
许慧
评定成绩:
教师评语:
指导老师签名:
2016年12月27日
一、课程实习的目的
(1)培养理论联系实际的设计思想,训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力;
(2)掌握自动控制原理的时域分析法、根轨迹法、频域分析法,以及各种校正装置的作用及用法,能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析,能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计,并调试满足系统的指标;
(3)学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试;
(4)学会使用硬件搭建控制系统;
(5)锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力,为今后从事控制相关工作打下较好的基础。
二、课程实习任务
某系统开环传递函数
G(s)=K/s(0.1s+1)(0.2s+1)
分析系统是否满足性能指标:
(1)系统响应斜坡信号r(t)=t,稳态误差小于等于0.01;
(2)相角裕度y>=40度;
如不满足,试为其设计一个pid校正装置。
三、课程实习容
(1)未校正系统的分析:
1)利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图
2)绘画根轨迹,分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能(稳定性、快速性)。
3)作出单位阶跃输入下的系统响应,分析系统单位阶跃响应的性能指标。
4)绘出系统开环传函的bode图,利用频域分析方法分析系统的频域性能指标(相角裕度和幅值裕度,开环振幅)。
(2)利用频域分析方法,根据题目要求选择校正方案,要求有理论分析和计算。
并与Matlab计算值比较。
(3)选定合适的校正方案(串联滞后/串联超前/串联滞后-超前),理论分析并计算校正环节的参数,并确定何种装置实现。
(4)绘画已校正系统的bode图,与未校正系统的bode图比较,判断校正装置是否符合性能指标要求,分析出现大误差的原因。
(5)求此系统的阶跃响应曲线。
分析采用的校正装置的效果。
(6)绘画模拟电路,提出校正的实现方式及其参数。
(7)总结(包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程实习的认识等容)
自动控制原理及专业软件课程实习
(1)由稳态误差小于等于0.01即1/k<=0.01解得k>=100所以选择k=101
未校正系统开环和闭环零极点图(K=110):
clear
clc
num=[101];
den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));
G=tf(num,den);
Gf=feedback(G,1,-1);
figure
(1)
pzmap(G);
title('未校正系统开环零极点图')
xlabel('实轴x')
ylabel('虚轴j')
figure
(2)
pzmap(Gf);
title('未校正系统闭环零极点图')
xlabel('实轴x')
ylabel('虚轴j')
第二章绘画根轨迹
(2)绘画根轨迹,根据根轨迹分析未校正系统稳定性和快速性
①系统稳定性分析0.02s^3+0.3s^2+s+k
分析:
闭环传递函数的特征方程:
D(s)=0.02s^3+0.3s^2+s+k
列出劳斯表:
S^3
0.02
1
S^2
0.3
k
S^1
0.3-0.02k)/1.2
S
k
由劳斯稳定判据有:
k>0且0.3-0.02k>0,
即0又K=110>30,所以系统不稳定
②系统快速性分析
系统的快速性要好,则闭环极点均应远离虚轴y,以便使阶跃响应中的每个分量都衰减得更快。
由图1可知,当系统根轨迹在s左半平面时,闭环极点距s平面上虚轴越近,阻尼角增加,ξ变小,振荡程度加剧,超调量变大,若特征根进一步靠近虚轴,衰减振荡过程变得很缓慢,系统的快速性减小。
第三章作出单位阶跃输入下的系统响应
1.未校正系统阶跃响应图
clear
clc
num=[101];
den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));
G=tf(num,den);
Gf=feedback(G,1,-1);
sys=feedback(Gf,1);
t=0:
0.01:
5;
step(sys,t);
xlabel('t')
ylabel('Gf')
title('未校正系统阶跃响应图')
图1未校正系统的阶跃响应
由图1可知,系统在单位阶跃输入下,振荡程度加剧,超调量变大,系统的动态性能不佳,不稳定。
第五章求此系统的阶跃响应曲线
2.已校正系统阶跃响应图
clear
clc
num=[101];
den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));
Gs=tf(num,den);
num1=[3.71];
den1=[115.741];
Gs1=tf(num1,den1);
Gs2=series(Gs,Gs1);
sys=feedback(Gs2,1);
t=0:
0.01:
5;
step(sys,t);
xlabel('t')
ylabel('Gf')
title('已校正系统阶跃响应图')
分析系统阶跃响应的性能指标:
Tp=1s;
Ts=2.8s
超调量=36.5%
且采用校正装置后系统稳定,系统的阻尼程度适中。
第四章绘出系统开环传函的bode图
(4)绘出系统开环传函的bode图
clear
clc
num=[101];
den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));
Gs=tf(num,den);
bode(Gs);
margin(Gs);
title('系统开环传函的bode图')
由图可得:
校正后Gm=17.3dB;Pm=-41.9度;由此可知Pm=-41.9度<40度
系统不稳定。
需加入校正环节改善系统。
(5)选定校正方案
采用串联滞后校正系统
由r'=r-6度,r为要求的40有r'=46度
1.r'(wc)=46度得wc=2.7rad/s
2.L(wc)=29.920lgb+l(wc)=0得b=0.032
4.1/bT=0.1wc得T=115.74s
校正装置的传递函数G’=(3.7s+1)/(115.74s+1)
(6)判断校正装置
clear
clc
num=[101];
den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));
Gs=tf(num,den);
num1=[3.71];
den1=[115.741];
Gs1=tf(num1,den1);
Gs2=series(Gs,Gs1);
bode(Gs,'b-',Gs2,'g-');
r'=40.5度>40度,符合要求。
第五章求此系统的阶跃响应曲线
3.已校正系统阶跃响应图
clear
clc
num=[101];
den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));
Gs=tf(num,den);
num1=[3.71];
den1=[115.741];
Gs1=tf(num1,den1);
Gs2=series(Gs,Gs1);
sys=feedback(Gs2,1);
t=0:
0.01:
5;
step(sys,t);
xlabel('t')
ylabel('Gf')
title('已校正系统阶跃响应图')
分析系统阶跃响应的性能指标:
Tp=1s;
Ts=2.8s
超调量=36.5%
且采用校正装置后系统稳定,系统的阻尼程度适中。
第六章绘画模拟电路
用SIMULINK进行仿真
1.未校正系统
2.已校正系统
3.分析
串联滞后校正系统效果明显,使系统稳定。
5.致谢
每一个课程设计都是一个挑战!
首先要由衷感谢我们的指导老师许慧老师,你指导了我顺利的独立地完成了这一次的课程设计。
期间,让我学到了许多在实践中需注意的问题。
包括如何根据课题制定方案,怎样思考问题,然后如何去收集整理资料,之后怎样组织材料撰写论文等等,这为我们即将面临的毕业设计等各类课题的设计打下了一定的基础。
甚至在以后的工作和学习生活中也会受益。
虽然我学了MATLAB,不少课本上也有提到过MATLAB,但是我还是不怎么熟练,通过这次自动控制原理课设让我更好地学会了如何去使用这个软件。
自动控制原理的知识在课堂上掌握的也不是很好,所以这次课程设计对于我来说真是难度不小啊。
在很多人眼中为期一周的课程设计或许是一种煎熬,这是可以理解的,在这一周当中,我们不仅要完成这个课程设计,而且还要学习其他专业课。
对于MATLAB的学习,我们先从以前教材中翻看相关的容,因为这些书上讲的比较精简易懂,看完之后便对MATLAB有了更深地了解和懂得了一些简单编程,接下来我再去图书馆借相关的书籍进行借鉴和参考,当要用什么功能时,就在书上翻看相应部分的容,这样MATLAB就应用起来了。
对于自动控制原理的相关知识,我重新翻看好几遍教材,特别是第六章作了详细地了解,对校正有了较好的认识之后才开始进行单位负反馈系统设计。
校正设计时候,在试取值时需要对校正原理有较好的理解才能取出合适的参数,期间我也不是一次就成功,选了几次才选出比较合适的参数。
这种不断尝试的经历让我们养成一种不断探索的科学研究精神,我想对于将来想从事技术行业的学生来说这是很重要的。
每一次课程设计都会学到不少东西,这次当然也不例外。
不但对自动控制原理的知识巩固了,也加强了MATLAB这个强大软件使用的学习,这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多编程问题,最后在自己和老师同学相互协助下,终于迎刃而解了。
6.参考文献
1、自动控制原理(第五版)寿松科学
2、自动控制原理实验教程(硬件模拟与matlab仿真)熊晓君
3、MATLAB语言与控制系统仿真亮工业大学
4、MATLAB程序设计教程卫国中国水利水电
5、MATLAB入门与提高龚剑清华大学