转子绕线机控制系统的滞后校正设计.docx

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转子绕线机控制系统的滞后校正设计

前言

自动控制理论是自动化专业的主干课程之一，作为一门学科，其主要研究对象是自动控制系统，研究的中心问题是系统在控制过程中的性能。

本课程强调方法论，理论性强，可以为学生从事各种实际控制系统的分析、设计提供理论工具，是学习后续课程的不可或缺的理论基础。

自动控制技术是能够在没有人直接参与的情况下，利用附加装置（自动控制装置）使生产过程或生产机械（被控对象）自动地按照某种规律（控制目标）运行，使被控对象的一个或几个物理量或加工工艺按照预定要求变化的技术。

它包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识；自动控制系统的分析与综合；控制用计算机的构造原理和实现方法，是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，本课程设计是对自动控制原理中控制系统校正的应用。

使学生了解到控制系统的基本概念，初步具备设计控制系统的能力，进一步加深对理论知识的理解，，掌握基本控制规律的应用方法和步骤，掌握基本控制参数的选定和步骤，并具备分析控制品质的能力和初步改进控制方案的经验。

MATLAB语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件之一。

在控制理论教学过程中引进MATLAB软件辅助教学，以培养系统思维方式为重点进行。

在内容上按通过建模组成控制系统、对控制系统进行分析和控制系统设计三部分来划分，再通过综合课程设计把三者有机联系起来。

建模部分用MATLAB软件进行拉普拉斯变换、微分方程求解和各类模型的输入、形式变换等。

分析部分可充分体现MATLAB软件的强大辅助教学作用，用它可非常方便的观察各种相应曲线、根轨迹、频率特性和参数变化对控制系统稳定性、动态特性的影响。

设计部分放入综合课程设计，学生在教师指导下把前面介绍的几类控制系统的分析方法综合起来，自学系统校正内容，再用工程案例的形式把建模、系统分析和系统校正（系统设计）有机联系起来，工程案例以实际工程问题为对象，结合学生已掌握的知识，经适当简化进行建模、分析、校正等，要求建模用机理方法手算推导，分析校正既用手算又用MATLAB软件进行，这样就使学生较完整地初步进行了自动控制原理理论与实际的结合。

课程设计任务书

学生姓名：

0000000专业班级：

自动化0804

指导教师：

谭思云工作单位：

自动化学院

题目:

转子绕线机控制系统的滞后校正设计。

初始条件：

已知转子绕线机控制系统的开环传递函数是

要求系统的静态速度误差系数

，

。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、MATLAB作出满足初始条件的最小K值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕度。

2、前向通路中插入一相位滞后校正，确定校正网络的传递函数。

3、用MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。

4、课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。

说明书的格式按照教务处标准书写。

时间安排：

1、课程设计任务书的布置，讲解（一天）

2、根据任务书的要求进行设计构思。

（一天）

3、熟悉MATLAB中的相关工具（一天）

4、系统设计与仿真分析。

（四天）

5、撰写说明书。

（两天）

6﹑课程设计答辩（一天）

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

1设计目的1

2设计要求1

3设计原理1

4设计分析与计算2

4.1最小K值的系统频域分析2

4.1.1频域分析理论计算2

4.1.2频域分析BODE图3

4.2滞后校正的传递函数4

4.2.1传递函数理论计算4

4.2.2校验5

4.3用MATLAB画校正前后的根轨迹6

4.3.1校正前的根轨迹6

4.3.2校正后的根轨迹7

5心得体会8

6参考文献9

转子绕线机控制系统的滞后校正设计

1设计目的

由于滞后校正网络具有低通滤波器的特性，因而当它与系统的不可变部分串联相连时，会使系统开环频率特性的中频和高频段增益降低，使截止频率Ｗc减小，从而有可能使系统获得足够大的相位裕度，改善系统的暂态性能，且不影响频率特性的低频段。

由此可见，滞后校正在一定的条件下，能使系统同时满足动态和静态的要求。

可运用于以下场所：

1.在系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的情况下，可考虑采用串联滞后校正。

2.保持原有的已满足要求的动态性能不变，而用以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差。

2设计要求

1）MATLAB作出满足初始条件的最小K值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕度。

2）前向通路中插入一相位滞后校正，确定校正网络的传递函数。

3）用MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。

4）课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。

说明书的格式按照教务处标准书写。

3设计原理

滞后校正的基本原理是利用滞后网络的高频幅值衰减特性，使系统截止频率下降，从而使系统获得足够的相角裕度。

因此，滞后网络的最大滞后角应力求避免发生在系统截止频率附近。

在系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的情况下，可采用串联校正。

此外，如果待校正的系统已具备满意的动态性能，仅稳态性能不满足指标要求，也可采用串联滞后校正以提高系统的稳态精度，同时保持其动态性能仍满足要求。

4设计分析与计算

4.1最小K值的系统频域分析

4.1.1频域分析理论计算

已知转子绕线机控制系统的开环传递函数是：

要求系统的静态速度误差系数

，则

可得：

K=300

故：

相位裕度：

先求穿越频率

在穿越频率处_

=1,由于w较小，故可以近似为

解得Wc

5rad/s

穿越频率处的相角为：

相位裕度为：

幅值裕度：

先求相角穿越频率：

即：

由三角函数关系得：

0.5

所以，幅值裕度为：

4.1.2频域分析BODE图

使用MATLAB软件可直接得到系统的BODE图和相角,幅值裕度。

程序的代码下：

n=300

d=[1,12,20,0]

g1=tf（n,d）

[mag,phase,w]=bode（g1）

margin（g1）

图4-1校正前系统的BODE图

MATLAB仿真结果为：

Gm=-1.94dBPm=-4.69deg（与理论计算结果相同）

4.2滞后校正的传递函数

由于按设计要求幅值裕度

。

根据要求令相角裕度γ=700并附加50，即取γ=750。

4.2.1传递函数理论计算

设滞后校正器的传递函数为：

则-1800+750=1050

可得：

Wc’=0.44

由

可知：

a=0.03

又由1/aT=Wc’tan5可知：

T=865.9

滞后校正的传递函数为：

4.2.2校验

使用MATLAB检验是否符合要求，程序代码为：

K=300;

n1=1;d1=conv（conv（[10],[12]）,[110]）;

s1=tf（K*n1,d1）;

n2=[25.9771];d2=[865.91];s2=tf（n2,d2）;

sys=s1*s2;

[mag,phase,w]=bode（sys）;

margin（sys）

图4-2校正后系统BODE图

Matlab仿真结果为：

Gm=28.3dBPm=70.2deg（符合设计要求）

4.3用MATLAB画校正前后的根轨迹

控制系统的闭环极点在复平面上随系统参数变化的轨迹称为控制系统的根轨迹。

4.3.1校正前的根轨迹

系统未校正前的开环传递函数为：

使用MATLAB画根轨迹代码如下：

num=300

den=conv（conv（[1,0],[1,2]）,[1,10]）

rlocus（num,den）

title（'控制系统校正前根轨迹图'）

图4-3校正前的系统根轨迹图

4.3.2校正后的根轨迹

系统校正后的开环传递函数为：

使用MATLAB画根轨迹代码如下：

num=300*[25.977,1]

den=conv（conv（[1,10],[865.9,1]）,[1,2,0]）

rlocus（num,den）

title（'控制系统校正后根轨迹图'）

图4-4校正后的系统根轨迹图

5心得体会

本次课程设计，通过设计环节的实际训练，加深了对该课程基础知识和基本理论的理解和掌握，培养了综合运用所学知识的能力，在理论分析、设计、计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，逐渐养成严谨求实的科学态度。

随着科学技术发展的日新日异，自动化控制已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，才能使自己不被社会淘汰。

回顾起此次自动课程设计，感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到很多问题，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识复习一遍。

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，最后在同学的帮助下，终于迎刃而解。

感谢同学帮助，在相互讨论中我学习了他们不同的思考方式，使我明白了接受别人好的意见也是很重要的。

总之，在这次课程设计过程中，我既学习到了自动控制原理的知识，又学到了许多书本之外宝贵的分析动手能力。

收获很多。

6参考文献

[1]胡寿松自动控制原理（第五版）北京：

科学出版社.2007

[2]张静MATLAB在控制系统中的应用北京：

电子工业出版社.2007

[3]张爱民自动控制原理北京：

清华大学出版社.2005

[4]王广雄控制系统设计北京：

清华大学出版社.2005

[5]黄坚主自动控制原理及其应用北京：

高等教育出版社2004

[6]王万良自动控制原理北京：

高等教育出版社.2008

本科生课程设计成绩评定表

姓名

何艳培

性别

女

专业、班级

自动化0804班

课程设计题目：

转子绕线机控制系统的滞后校正设计

课程设计答辩或质疑记录：

1）校正方案主要有那些？

1，串联校正2，并联校正3,反馈校正4，前馈校正

2）滞后校正的作用有那些？

1，在保持暂态性能不变的条件下，提高了稳态精度

2，在保持稳态性能不变的条件下，降低了截止频率，从而增大了相位裕度，幅值裕度，减小了超调量。

3，降低了截止频率，减小了带宽，快速性下降，增强了抗干扰能力。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月_日