自动控制课程设计资料Word文档格式.docx
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中英文摘要
本文主要是通过实验设计熟练掌握Matlab与Simulink的编程与仿真功能，提高自身的动手能力
全文包括目录，正文，结论和参考文献等内容，因学识有限以及各方面因素造成的错误在所难免，欢迎大家予以指出纠正。
ThispaperismainlythroughthedesignofexperimentfamiliarwithMatlabandSimulinkprogrammingandsimulationfunction,improvetheirpracticalability
Thefulltextincludescatalogue,text,conclusionandreferences,becauseoflimitedknowledgeandvariousfactorscausedtheerrorcanhardlybeavoided,welcomeeverybodytobecorrected.
一、课程设计任务书
1．设计目的：
1、加深对自动控制原理课程中，控制系统校正方法的理解。
2、锻炼学生的分析问题，解决问题，查阅资料，以及综合应用知识的能力。
2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
设单位负反馈系统的开环传递函数为
用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：
（1）相角裕度
；
（2）在单位斜坡输入下的稳态误差
（3）系统的剪切频率
。
要求：
分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后－超前校正）；
详细设计（包括的图形有：
校正结构图，校正前系统的Bode图，校正装置的Bode图，校正后系统的Bode图）；
用MATLAB编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）；
校正前后系统的单位阶跃响应图。
3．结论
二、报告正文
1、手工设计：
由题意可知，开环传递函数在单位斜坡信号r（t）=t作用下，要满足系统的稳态误差
根据稳态误差公式（
，
）：
=
此时系统的稳态误差：
，取K=22
所以校正前系统开环传递函数为：
将
值代入原函数并令
得系统的开环频率特性为：
2、Matlab实验程序：
num0=25;
%初始化
w1=3;
r=45;
ee=6;
pm=r+ee;
den0=conv（[10],conv（[0.11],[0.21]））;
%输入函数
G=tf（num0,den0）;
[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin（num0,den0）;
%原系统的相角裕度pm1，截止频率wcp1
forw=wcp1:
-0.01:
0%计算原系统中满足
的截止频率wc的值
gamma=pi/2-atan（0.1*w）-atan（0.2*w）;
ga=gamma*180/pi;
if（ga>
pm）
wc0=w;
break;
end
end
if（wc0<
w1）;
%限制wc的值使其满足小于3的要求
elseif（wc0>
=w1）
wc0=w1;
x=wc0;
forwc0=x:
0%计算校正装置的参数b、T以及验算校正后系统的相角裕度
5）
b=1/num0*wc0;
elseif（wc0<
wcp1）
b=0.1*wc0^2/num0;
T=10/b/wc0;
num2=[b*T1];
den2=[T1];
Gc=tf（num2,den2）;
[num,den]=series（num0,den0,num2,den2）;
[gm2,pm2,wcg2,wcp2]=margin（num,den）;
if（pm2>
r）;
w=logspace（-3,1）;
subplot（2,1,1）;
[mag,phase]=bode（num,den,w）;
%校正后的Gc*G
[mag1,phase1]=bode（num0,den0,w）;
%初始传函：
G
[mag2,phase2]=bode（num2,den2,w）;
%滞后校正装置:
Gc
semilogx（w,20*log10（mag）,w,20*log10（mag1）,'
*'
w,20*log10（mag2）,'
-'
）;
ylabel（'
·
幅值（dB）'
title（'
原系统*G，滞后环节Gc，校正后-GGc'
）
xlabel（'
频率（rad/s）'
gridon;
subplot（2,1,2）;
semilogx（w,phase,w,phase1,'
w,phase2,'
w,（w-180-w）,'
:
'
相角（度）'
原系统*G，滞后环节Gc，校正后-GGc'
G%原系统的传递函数
Gc%校正系统的传递函数
GS=tf（num,den）%校正后系统的传递函数
pm2%校正后系统的相角裕度
wcp2%校正后系统的截止频率
3、利用Simulink进行仿真：
仿真系统的连接图：
在输入端施加阶跃信号，通过Scope检测未加校正环节系统的阶跃响应曲线；
通过Scope1来检测加入校正环节后系统的阶跃响应曲线。
4、设计实验结果及分析
波特图：
根据取定的K值，利用MATLAB画出未校正系统的开环渐进对数幅频特性和相频特性曲线。
（如下Bode图）
源代码:
num=21;
den=[0.02,0.3,1,0];
syso=tf（num,den）;
margin（syso）;
grid
运行结果：
相角裕量Pm=-8.74截止频率Wcp=8.32
图一、校正前系统的bode图
单位阶跃响应分析
在MATLAB中编写如下程序:
G=tf（[21],[0.020.310]）;
G1=feedback（G,1）;
t=0:
0.01:
10;
step（G1,t）;
图二、校正前系统的单位阶跃响应图
在波得图上量取原系统的相角和幅值裕量，并找出符合相角裕量要求的相应频率作为wc′。
从图一可看出，未校正系统的增益交界频率wc≈8.32rad/s，其相角裕度γ≈-90
显然，未校正系统是不稳定的。
再观察相频特性，虽然负相角裕量（-90）的绝对值并不大，但在w=wc附近，相频特性变化明显，可以预计到应用串联滞后校正
5、详细设计
（1）根据相角裕量γ≥450的要求，再考虑到串接滞后校正装置的相角滞后（初步按-50计算）从未校正系统的频率特性曲线图一上，找出对应相角－1800+（450+50）=－1300处的频率wcˊ≈2.43rad/s。
wcˊ将作为校正后系统的增益交界频率。
（2）确定滞后装置的传递函数Gc=（1+aTs）/（1+Ts）
①根据滞后校正装置的最大幅值和原系统在wcˊ上的幅值相等条件，求出a值。
在wc=wcˊ处，从未校正的对数幅频特性曲线上求得:
20lg|G0（jwc’）|=17.5dB·
①
再由20lg1/a=17.5dB计算出a=0.133
②由1/aT=1/10·
wcˊ所以当wcˊ≈2.43rad/sa=0.133时，可求得
T=30.94s
③将所求的a值和T值代入①式得校正装置的传递函数为：
Gc（s）=（1+4.115s）/（1+30.94s）
利用Matlab画出校正装置的Bode图如图三
源代码：
G0=tf（[4.1151],[30.941]）;
margin（G0）;
图三、校正装置bode图
（3）已校正后系统的开环传递函数为G（s）=G0（s）·
Gc（s）
=21（1+4.115s）/[s（0.1s+1）（0.2s+1）（1+30.94s）]
利用Matalab画出校后系统的伯德图如图四
n1=21;
d1=[0.02,0.3,1，0]；
s1=tf（n1,d1）;
s2=tf（[4.115，1],[30.94，1]）;
s=s1*s2;
[Gm,Pm,Wcm,Wcp]=margin（s）;
margin（s）
运算结果：
相角裕量Pm=45.2截止频率Wcp=2.45
图四、校正后bode图
6、校正后验证
（1）校正后伯德图分析
由图四可知校正后的相角裕量γ’=45.20>
450截止频率wcˊ=2.45rad/s<
3rad/s符合设计题目的要求。
（2）校正后系统的单位阶跃响应图图五
G=tf（[86.41521],[0.61889.30231.2410]）;
G1=feedback（G,1）;
0.1:
xlabel（‘t’）;
ylabel（‘c（t）’）;
title（‘校正后单位阶跃响应’）；
图五校正后单位阶跃响应图
（3）将校正前后以及校正装置的伯德图放入同一个图中如图六
G1=tf（[21],[0.02,0.3,1,0]）;
G2=tf（[4.115,1],[30.94,1]）;
G3=tf（[86.41521],[0.61889.30231.2410]）;
[gm,pm,wg,wp]=margin（G1）;
bode（G1,'
r--'
G2,'
g'
G3）;
图六校正前后和校正装置bode图
（校正前—红色校正装置—绿色校正后—蓝色）
由图六可看出，系统加入滞后校正装置后，在w>
0.0242rad/s的频率范围内，滞后装置衰减了G（jw）的幅值，使系统的wc左移到wc’,使系统的快速性下降。
通过Matlab编程将原系统、校正装置以及校正后系统的bode图显示出来。
图中可以看出原系统在频率为9时也就是截止频率处所对应的相角裕度为负值，显然系统此时是不稳定的。
而加入滞后环节后，系统的截止频率被拉小为2.3，此时系统的相角裕度明显大于
，满足了设计要求。
Matlab仿真实验结果：
上图为Matlab程序所执行出的实验结果，
为原系统的传递函数，
为滞后校正装置的传递函数，
为校正后系统的传递函数，pm2为校正后系统的相角裕度>
，wcp2为系统的截止频率<
，满足设计要求。
Scope的波形图：
此波形为未校正的系统的阶跃响应曲线，由于此系统为不稳定系统因而其阶跃响应曲线为震荡发散。
Scope1的波形图：
波形图为加入校正装置后系统的阶跃响应曲线，此时系统稳定，系统为1型系统，其稳态误差为0
三、结论
对于一个控制系统而言，当系统的控制对象确定并确定了系统的执行部件，那么系统的传递函数也就确定了，因而对于一个确定的系统其传递函数是确定不变的。
为了能够使控制系统的性能参数能够进一步提高，那么就需要设计一个合适的控制器来满足要求。
在系统中加入了合适的控制装置后，系统性能明显提高。
Matlab具有强大的集成功能与运算能力，是设计更加便捷，而且Matlab集合了各类软件编程的优越性，使用Smulink进行仿真更是大大的提高了形象化设计
四、设计感受
本次自动控制原理课程设计，让我对校正有了更深层次的理解以及对MATLAB在自控方面的应用有了更多的了解，熟悉了matlab的编程方法与Smulink的仿真方法，控制器设计的具体应用，加深了对Matlab知识的运用，同时培养解决现实的问题的能力。
虽然在对校正前函数各方面的参数用MATLAB仿真计算编程时遇到了一些困难，但在查阅大量资料之后，使自己的设计思路逐渐明朗。
在对设计校正函数时经过多次的反复校验才使获得的参数与期望的参数相匹配。
通过这次课程设计，拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。
安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合，分析问题。
尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。
它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。
运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。
检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。
对我们电子专业来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。
这也是一次预演和准备毕业设计工作。
通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。
在一个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对软件开发流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。
同时，通过这次课程设计，使我认识到自己这学期对这门课程的学习还远远不够，还没有较好地将书本中的知识较好地融合，这为我在以后的学习中敲了一记警钟。
在此次设计中，我学会了用现有的知识来解决实际的问题。
没接触过没关系，我们可以去看去学，学透，而后加以运用，解决实际问题。
即使在将来工作，这也是解决实际问题，尤其是第一次遇到问题的一种方法。
通过此次的实验设计，我深深的认识到了自身的不足，而且对Matlab有了更深的认识，这一个星期的学习让我受益匪浅。
五、参考文献
【1】杨庚辰自动控制原理西安电子科技大学出版社。
【2】朱衡君MATLAB语言及实践教程清华大学出版社。
【3】陈后金信号与系统高等教育出版社。
【4】程鹏自动控制原理[M]高等教育出版社。
【5】张德丰等MATLAB控制系统设计与仿真[M]电子工业出版社
【6】黄忠霖自动控制原理的MATLAB实现国防教育出版社
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