自动控制系统课程设计

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1、东北大学秦皇岛分校课程设计用纸自动控制系统课程设计设计题目：控制系统校正设计与仿真专业：自动化学号：姓名：指导老师：高原成绩：控制工程学院完成时间：2014年7月4日东北大学秦皇岛分校课程设计用纸目录一、任务书二、前言三、主体部分1、设计任务分析2、利用Matlab对系统进行仿真3、PID控制——衰减曲线法四、结论五、参考文献第0页东北大学秦皇岛分校课程设计用纸东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计任务书专业自动化班级51104姓名林春秀设计题目：控制系统校正设计与仿真一、设计实验

2、条件地点：实验室实验设备：PC机二、设计任务已知某控制系统的开环传递函数为，设计串联超前装置，使校正后的稳态误差，谐振峰值，调节时间。三、设计说明书的内容1、设计题目与设计任务（设计任务书）2、前言（绪论）(设计的目的、意义等)3、主体设计部分4、参考文献5、结束语四、设计时间与设计时间安排1、设计时间：6月23日～7月4日2、设计时间安排：熟悉课题、收集资料：3天（6月23日～6月25日)具体设计（含上机实验）：6天（6月26日～7月1日)编写课程设计说明书：2天（7月2日～7月3日)答辩：1天

3、（7月4日）第8页东北大学秦皇岛分校课程设计用纸一、前言1、设计目的⑴了解控制系统设计的一般方法、步骤。⑵掌握对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析的方法。⑶掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。⑷提高分析问题解决问题的能力。2、设计任务已知某控制系统的开环传递函数为，设计串联超前装置，使校正后的稳态误差，谐振峰值，调节时间。3、MATLAB概述MATLAB（MatrixLaboratory即“矩阵实验室”）是集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个

4、方便的、界面友好的用户环境，其强大的科学计算与可视化功能，简单易用的开放式可扩展环境，使得MATLAB成为控制领域内被广泛采用的控制系统计算与仿真软件。4、串联超前校正的概念超前校正设计：是指利用校正器对对数幅频曲线有正斜率的区段及其相频曲线具有正相移区段的系统校正设计。突出特点：校正后系统的剪切频率比校正前的大，系统的快速性能得到提高。适用范围：要求稳定性好，超调小及动态过程响应快的系统被经常采用。基本思路：通过所加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点

5、：第8页东北大学秦皇岛分校课程设计用纸1、低频段的满足稳态精度的要求；2、中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；3、高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。基本原理：利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，以达到改善系统瞬态响应的目的。为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率（剪切频率）处。二、主体部分1、设计任务分析本次课程设计的内容是控制系统校正设计与仿真，任务中给出的传递函数形式较为简单。（1）确定k值

6、本次设计给定系统为Ⅰ型系统，假设原系统是在单位谐波信号作用下，其校正后的稳态误差，则速度误差系数，系统的稳态误差为：求得：k≥10,取k=10（2）确定依题，谐振峰值，根据公式求得：ξ≥0.3568（3）设定负反馈设定校正后的传递函数为单位负反馈下的闭环传递函数。根据以上得：系统开环传递函数：第8页东北大学秦皇岛分校课程设计用纸系统闭环传递函数：2、利用Matlab对系统进行仿真绘制原系统的阶跃响应图、开环Bode图、闭环幅频特性与相频特性，源程序如下：(1)clearclcnum=[10];de

7、n=[0.510];%输入原函数各参数s1=tf(num,den);sys=feedback(s1,1);%单位负反馈作用step(sys)%输入为单位阶跃函数(2)clearclcnum=[10];den=[0.510];s1=tf(num,den);[gmpmwcpwcg]=margin(s1)%显示各性能指标margin(s1)%显示bode图(3)clearclcnum=[10];den=[0.5110];%输入闭环传递函数s1=tf(num,den);[gmpmwcpwcg]=margi

8、n(s1)margin(s1)%输出为闭环bode图，通过将对数坐标改成常数坐标可显示谐振峰值各图形如下图所示：第8页东北大学秦皇岛分校课程设计用纸从图中可得：原系统的超调量为48%，调节时间为3.01s，相角稳定裕度为25.2°，开环系统剪切频率为4.25rad/s，谐振峰值为7.21。各性能指标均不满足设计要求，因此应对系统进行校正。根据所求得的传递函数，即可使用超前校正控制器的设计方法对系统进行校正，并利用Matlab对校正后的函数进行仿真，验证结果。同时，此次课程设计中编写