自动控制原理水箱水位课_程_设_计

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1、自动控制原理课程设计多容水箱水位控制系统设计一.设计目的1.、初步掌握控制系统数学分析、设计、校验的基本方法，学会用数学模型解决实际问题。2、应用MATLAB/Simulink进行控制系统分析、设计、仿真及调试。二、设计要求1、根据控制理论知识进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数；2、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；3、确定校止装置的电路形式及电路参数。三、设计思想在设计、分析控制系统时，最常用的方法是频率法。应用频率法设计对系统进行校正，其目的是改变频率特性的形状，使校正后的系统频率特性具冇合适的低调、屮频和高频特性及足够的

2、稳定裕量，从而满足系统所要求的性能指标。频率法设计校正装置主要通过对数频率特性（Bode图）来进行。开环对数频率特性的低频段决定系统的稳态误差，根据稳态性能指标确定低频段的斜率和高度。为保证系统具有足够的稳定裕量，开环对数频率特性在剪切频率Q附近的斜率为-20dB/dec,而且具有足够的中频宽度。为抑制高频干扰的影响，高频段应尽可能迅速衰减。四、设计题目多容水箱水位控制系统设计设单位反馈的多容水箱水位控制系统，其系统开环传递函数为G°(s)=s(s+l)(s+4)用频率设计法设计滞后一一超前校正装置,使校正后的系统满足如下性能指标：单位斜坡信号作用下速度误差系数Kv=s~｛；校正后

3、相位裕量Y>40",即时域性能指标：超调量M%<30%,调整时间ts<6s,峰值吋间J,<25c五、设计过程解：因为题目屮要求心=10$",则根据K「=]im$G($)H($)5->0且在I型系统中KV=K.，所以求得K。=40。则传递函数变形为:4£(s+1)(0.25s+1)根据Ko=40做未校止时系统的Bode图为：J■Figure13HieEditViewInsertToolsDesktopWindowHelpJD»S致Q鋼®罐T□匡1h回BodeDiagrammp)apnuumew(62P)^seudSystem:sysFrequency(rad/sec):2Phase(de

4、g):-180System:sysFrequency(rad/sec):5.13Magnitude(dB):-12.810io110210030010Frequency(rad/sec)图1、未校正前的Bode图200

5、从Bode图中得Wc=2WlracUs则相角裕量为：/0=180°-90°-arctan)vcl-arctan0.25wcI=-15°这说明系统的相角裕量远小于要求值，系统的动态响应会冇严重的震荡。若串入超前校正，虽然可以增大相角裕量，满足对了的耍求，幅值裕量却无法同时满足。若串入滞后校正，利用它的高频幅值衰减使剪切频率前移，能够满足对兀的耍求，但要同时满足了的耍求，

6、则很难实现，为此，采用滞后■超前校止。首先，先采用进行串联超前校正确定为使相角裕量达到要求值，所需增加的超前相角代，式中，了为要求的相角裕量40。；人为未校正时的相角裕量-15。;£是因为考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加的相角裕量，从未校正吋系统的Bode图可知，屮频段斜率为-40JB/dec,则£取5。〜15。；综合考虑，取£=9°,则代=64°。令超前校正网络的最大超前相角久=0.，则由下式求出校正装置的参数Q]_sin0“，a—1+sin(ptn可得6^=0.053在Bode图上确定未校正系统幅值为201g«吋的频率叫该频率作为校正后系统的开环剪切频率叱.，即coc=com

7、=5Arad/so(见图1)由叱"确定校止装置的转折频率为：a>=一=com4ct=1」IsraelIsT1◎=arx=22A53rad/s所以t}=0.852ar}=0.045超前校正装置的传递函数为：小/、r,s+l0.0852s+1Gas)=a—!-a"arxs+.0455+1将系统放大倍数增大丄倍，以补偿超前校正装置所引起的幅值衰减，即K(=-aa然后，进行滞后校正为使滞后部分对剪切频率附近的相角影响不大，选择滞后校正部分的第二个转折频率为:r2-10=0.5Wad/s并选取0=5.7,则滞后部分的第一个转折频率为:=0.0S9rad/s滞后部分的传递函数为：厂r25+

8、l1.19654-1c20卩$+1H.178.V+1综合可得滞后一超前校止装置的传递函数为：(0,8525+1)(1.9615+1)(0.045s+1)(11.178s+1)则校正后系统开环传递函数为:G($)=Go($)G,$)=10(0.852^+1)(1.9615+1)s(s+1)(0.255+1)(0.0455+1)(11.1785+1)作出校止后系统的Bode图，如卜图所不:FileEditViewInsertToolsDesktop