2016新编自动控制原理课程设计__对水箱流量控制系统

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1、自动控制原理课程设计任务书一、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、设计任务及要求：初始条件：已知单位反馈水箱流量控制系统，系统的开环传递函数为要求：试用Bode图设计法对系统进行超前串联校正设计，使系统满足：（1）系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差（2）系统校正后，系统的相角裕量三、要求完成的主要任务：（1）手画出满足初始条件的最小值的系统

2、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）在Matlab下，用simulink进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；（5）确定校正装置的电路形式及电路参数；（6）对上述任务写出完整的的课程设计说明书，说明书中必须进行原理分析，写清楚计算的过程及分析的结果。四、设计任务分析：虽然在频域内进行系统设计，是一种间接的设计方法，因为设计结果满足

3、的是一些频域指标，而不是时域指标。然而，在频域内设计又是一种简便的方法，在Bode图上虽不能严格定量地给出系统的动态特性，但却能方便的根据频域指标确定校正装置的参数，特别是对以校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。一般来说，开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频率特性的中频段表征了闭环系统的动态性能；开环频率特性的高频段表征了闭环系统的复杂性和噪音抑制功能。因此，用频域法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置，是开环系统的频率形状变成所期望的形状：低频段增益充分大，以保证

4、稳态误差要求；中频段对数幅频特性斜率一般为，并占有充分宽的频带，以保证具备适当的相角裕度；高频段增益尽快减小，以削弱噪声影响。五、设计步骤：（1）根据所要求的稳态性能指标，确定系统满足稳态性能要求的开环增益。由要求（1）：系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差。得，取。（2）绘制k=1000值下的系统的Bode图，并求出系统的相角裕量。待校正系统开环传递函数上式代表最小相位系统，因此，只需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可算出待校正系统的相角裕量为相角裕度小的原因

5、，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）确定为使相角裕量达到要求值，所需增的超前相角。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（4）令超前校正网络的最大超前相角，求校正装置的参数。（5）确定未校正系统幅值为的频率。校正后系统的剪切频率，校正网络的对数幅值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。（6）下面计算校正网络的周期。

6、是和的几何中点，所以有令则（7）写出校正装置的传递函数。校正装置的传递函数为（8）为补偿超前校正网络造成的幅值衰减，附加一个放大器则校正后系统的开环传递函数为做出校正后的系统结构图和Bode图，如图2所示。图（2）：校正后的系统的Bode图和系统结构图（9）检验系统的特性，校正后的相角裕量为：由于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，。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。（10）在Simulink仿真环境下对校正后的系统进行仿真，并与校正前比较。加校正

7、环节前后的仿真模型如图3所示。其中校正前和校正后的单位阶跃响应曲线如图4、5所示。图（3）：加校正环节前后的仿真模型图（4）：校正前的系统单位阶跃响应曲线图（5）：校正后的系统单位阶跃响应曲线通过仿真曲线可以看出，校正前系统不稳定，单位阶跃响应振荡剧烈。而校正后的系统的单位阶跃响应，其时域指标性能指标：无论是超调量还是调整时间都较小，故该校正装置能够很好的达到设计要求，可以取用。超前校正装置实质是一个微分型补偿器，这是因为当时，校正装置可近似为超前校正增加了系统的相位裕量和频带宽度，即增加了系统的稳定性，加速了动态过程。（11）确定

8、无源超前校正装置。如图6所示为RC网络构成的无源超前校正装置，该装置的传递函数为图（6）：RC超前网络令则可求得各参数为，。取可得。（12）该题还可采用Matlab来设计校正装置，其程序如下：%频率特性的超前校正设计程序%ng=100