哈工大自控课设.docx

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1、HarbinInstituteofTechnology自动控制原理课程设计课程名称：自动控制原理设计题目：变焦控制系统的设计与仿真院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：金晶林玉荣设计时间：2014年3月2日自动控制原理课程设计任务书姓名：梁亮院（系）：航天学院专业：自动化班号：任务起至日期：2014年2月17日——2014年3月2日课程设计题目：变焦控制系统的设计与仿真1.已知控制系统的固有传递函数（或框图）如下：（变焦控制系统）+﹣﹣2．性能指标（1）开环放大倍数（2）剪切频率（3）相位裕度（4）谐振峰值（5）超调量（6）过渡过程时

2、间（7）角速度（8）角加速度（9）稳态误差3.设计要求与步骤（1）设计系统，满足性能指标。（2）人工设计利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图，并确定出校正装置的传递函数。验算校正后系统是否满足性能指标要求。（3）计算机辅助设计利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。（4）确定校正装置的电路形式及其参数。（5）撰写设计报告。具体内容包括如下五个部分。1）设计任务书2）设计过程人工设计过程包括计算数据、系统校正前后校正装置的Bode图（在半对数坐标纸上）、校正装置传递函数、性能指标验算数据。计算机辅助设计过程包

3、括Simulink仿真框图、Bode图、阶跃响应曲线、性能指标要求的其他曲线。3）校正装置电路图4）设计结论5）设计后的心得体会指导教师签字：___________________年月日教研室主任意见：_________________年月日教研室主任签字___________________年月日*注：此任务书由课程设计指导教师填目录1.人工设计31.1固有环节的分析31.2性能指标的计算42.校正环节的设计52.1校正环节的分析52.2串联迟后环节的设计72.3串联超前环节的设计83.计算机辅助设计103.1固有环节的仿真103.2串联

4、迟后校正的仿真123.3串联超前环节的仿真133.4系统的单位阶跃响应仿真143.5系统的斜坡信号响应仿真154校正环节的电路实现184.1校正环节的传递函数184.2确定各环节电路参数184.3绘制电路图195设计总结206心得体会211.人工设计1.1固有环节的分析该系统的物理背景为一个变焦系统。固有环节的传递函数为：这是一个二阶的且开环增益特别小的传递函数，作其开环渐进幅频特性曲线，如图1所示。图1固有环节的开环渐进幅频特性曲线通过作图得出固有环节的剪切频率为：，相角裕度。可以得出该系统是稳定的，但显然不满足性能指标的要求。1.2性能

5、指标的计算性能指标要求为：剪切频率，相角裕度，角速度，稳态误差。虽然本题没有直接对系统的动态性能指标有明确要求，但我们在设计控制系统时，对系统的动态过程要求一般体现为对超调量和调整时间的要求。根据欠阻尼二阶系统极点位置与动态性能指标的关系，将的设计要求同时转化为对和的要求，以方便通过单位阶跃响应来验证系统的动态性能。（1）稳态误差由开环传递函数只有一个积分环节可知系统的型别为一。因为设计的性能指标要求稳态误差为0.003rad/s，由稳态误差的计算公式将稳态误差和角速度带入公式可以得出，开环放大倍数，取=17666。由此，得到满足稳态误差性

6、能指标的传递函数：（2）超调量增大开环放大倍数后，在单位负反馈的条件下，系统的闭环传递函数为：得无阻尼振荡频率，闭环阻尼比。由二阶系统单位阶跃响应的超调量为：﹪将无阻尼振荡频率、闭环阻尼比带入得到系统当前的超调量﹪。根据二阶系统频域指标和时域指标的关系，由经验公式：将系统要求的相位裕度带入公式后得到系统要求的超调量32.6﹪，显然当前系统的超调量没有达到性能指标的要求。（3）调整时间二阶系统的调整时间用公式将无阻尼振荡频率、闭环阻尼比带入该公式得到系统当前的调整时间为0.4s。根据二阶系统频域指标和时域指标的关系，由经验公式：将系统要求的相

7、位裕度和剪切频率带入公式后得到系统要求的调整时间按照5﹪误差带计算为0.19s。由此我们看到该系统需要通过校正才能满足要求的性能指标。2.校正环节的设计2.1校正环节的分析固有环节增大开环放大倍数后，相当于将原有幅频渐进曲线向上平移了20lg()，这时系统的开环剪切频率必然会增大，相应的相位裕度则会减少。图2为增大了开环放大倍数的渐进幅频特性曲线。图2增大开环放大倍数后的开环渐进幅频特性曲线通过作图后发现，此时系统的开环剪切频率增加到594.9，比系统要求的剪切频率大了整整一个数量级。计算此时的相位裕度：可以发现当前系统完全达不到所要求的相

8、位裕度。此时系统已经处于接近临界稳定的状态了，不仅动态性能差，而且极易导致不稳定。并且过大的剪切频率会导致系统带宽过宽，引入不必要的高频噪声。据此，我们所要的校正环节应大幅度增加