自控课程设计--水箱流量控制系统

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1、专业课程设计报告信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：自动控制原理课程设计班级：自动化0906学号：200904134178姓名：指导教师：　2011年12月31号专业课程设计报告一、设计目的首先，通过对水箱流量控制系统分析，加强对水箱流量控制系统的认识，并掌握超前校正网络设计的方法。其次，通过设计，培养分析问题解决问题的能力。此外，使用Matlab软件进行系统仿真，从而进一步掌握Matlab的使用。二、设计要求和设计指标题目2：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正

2、设计。任务：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性能指标：（1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差；（2）系统校正后，相位裕量。（3）系统校正后，幅值穿越频率。三、设计内容1.手画出满足初始条件的最小值的系统的Bode图（用渐近线表示），计算出系统的相角裕量；2.在系统前向通道中插入一个相位超前校正网络，确定校正网络的传递函数；3.用Matlab画出校正后的系统Bode图，并标出开环剪切频率及对应的相角；4.确定校正装置的电路形式及电路参数；3.1确定开环增益κ由要求（1）：系统

3、在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差ess≤0.004。专业课程设计报告ess=1kv=1k≤0.004⇒kv=lims→0sG0sHs=lims→0sks0.1s+1(0.01s+1)得k≥250，取k=250。3.2求出相角裕量待校正系统开环传递函数G0(s)=250s0.1s+1(0.01s+1)上式代表最小相位系统，因此，画出其对数幅频渐近线特性如图1所示。图（1）：未校正系统的Bode图由图得待校正系统的开环剪切频率专业课程设计报告ωC1=50rad/s可算出待校正系统的相角裕量为r0=1800-900-

4、acrtan0.1wc1-acrtan0.01wc1=-15o相角裕度小的原因，是因为待校正系统的对数幅频特性中频区的斜率是，系统的动态特性会有严重的振荡，需要校正装置校正。由于截止频率远远低于指标要求，故采用串联超前校正是合适的。3.3确定超前相角φC=r-r0+εε=5o~15o加是考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加的相角裕量，未校正系统中频段的斜率为-40dB/dec，故取该值。取E=5oφC=45+15o+5o=65o3.4求校正装置的参数a=1-sinφc1+sinφc=0.0493.5确定未校正系统

5、幅值为10logα的频率ωm校正后系统的剪切频率ωc=ωm,网络的对数幅值10logα=-13.09可计算出未校正系统在该处的频率，既可作为校正后的系统的剪切频率ωc。-13.09-0=-40lgωc/100⇒ωc=212rad/s3.6下面计算校正网络的周期ωm是1αT和1T的几何中点，所以有ωm2=1αT*1T⇒ωm=1Tα令专业课程设计报告ωm=ωc=212rad/s则T=1ωnα=0.0233⇒1T=42.968rad/sαT=0.00114⇒1αT=877.2rad/s3.7写出校正装置的传递函数Gcs=

6、αTs+1αTs+1=α0.0233s+10.00114s+13.8补偿超前校正网络造成的幅值衰减附加一个放大器kc=1α=7.6则校正后系统的开环传递函数为Gs=G0sGcskc=1000(0.0166s+1)s0.1s+10.001s+1(0.0022s+1)做出校正后的系统结构图和Bode图，如图2所示。专业课程设计报告Y(s)0.0233s+10.00114s+11000s0.1s+1(0.001s+1)R(s)_图（2）：校正后的系统的Bode图和系统结构图3.9校正后的相角裕量γ=180o-90o+ar

7、ctan0.0223ωc-arctan0.1ωc-arctan0.001ωc-arctan0.00114ωc=47o由于γ≥45o校正后系统的性能指标满足要求。由Matlab画出校正后的Bode，可以得到稳定性裕量的精确值ωc=165rad/s，γ=47o。与上面求的值基本一致。由此可得，所选用的校正装置能够达到目的。3.11采用Matlab来设计校正装置做出校正后的系统结构图和Bode图，程序如下>>num=[16.61000];>>f1=[10];>>f2=[0.11];>>f3=[0.0011];>>f4=[

8、0.001141];>>den=conv(f1,conv(f2,conv(f3,conv(f4))));>>H=tf(num,den);>>bode(H)专业课程设计报告图（7）：校正后和校正装置的频率特性读图可得，系统的开环剪切频率ωc=212rad/s，相角裕量γ=47o。满足系统要求。四、设计小结本次设计表明，系统经串联校正后，中频段对数幅频特性斜率为