哈工大自动控制原理课程设计

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1、HarbinInstituteofTechnology课程设计说明书课程名称：自动控制原理设计题目：控制系统的设计和仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2013.2.25---2013.3.10哈尔滨工业大学一、设计题目与题目分析1.设计题目1)已知控制系统固有传递函数如下：Gs=Ks(0.003s+1)(s2282.72+2×0.7s282.7+1)(s27962+2×0.0684s796+1)2)系统性能指标要求：（1）超调量σ≤20%；（2）响应时间ts≤0.15s；（3

2、）稳态误差ess≤0.01mm；（4）最大速度r=0.5m/min；2.题目分析根据系统固有传递函数和系统性能指标要求，确定设计思路如下：首先完成使对系统无静差度和放大倍数的设计，稳态误差满足性能指标要求；再根据Bode图设计串联校正环节，限制系统的相角裕度和剪切频率，最终使系统对阶跃响应的超调量和调整时间符合性能指标要求。二、人工设计1.稳态误差设计根据系统固有传递函数，系统的无静差度符合要求，且系统放大倍数应符合如下要求：0.560×1K≤0.01×10-3得到：K≥833.33在设计中，为方便计算并留有余量，

3、取K=1000，并代入系统固有传递函数。2.串联校正环节设计绘制系统固有传递函数部分的Bode图，见附录。根据性能指标第12条中对超调量和响应时间的规定，根据经验公式：σp=0.16+0.4(1sinγ-1)ts=πωc[2+1.51sinγ-1+2.51sinγ-12]计算得到对系统相角裕度和剪切频率的要求：γ≥65.38°ωc≥45.55rad/s根据系统固有传递函数，求出系统的相角裕度和剪切频率：γ=-80.6°ωc=393rad/s由于固有相角裕度过小而剪切频率远远大于性能指标要求，可先选用串联迟后校正：G

4、C1s=τs+1βτs+1β>1取相角裕度γ=70°，根据原有Bode图计算得到β=23.7，并选取τ=0.24，T=5.67，由此确定串联迟后校正环节为：GC1s=0.24s+15.67s+1加入迟后校正后，再绘制Bode图（见附录），得到：γ=64.9°ωc=42.3rad/s此时，剪切频率和相角裕度都比要求之偏小，应用串联超前校正：GC2s=τs+1ατs+1α<1取ϕm=10°，根据Bode图得到α=0.7，τ=0.024，T=0.0166，，由此确定串联超前校正环节为：GC2s=0.024s+10.016

5、6s+1加入串联迟后—超前校正后得到系统新的Bode图（见附录），并根据Bode图，得到控制系统新的相角裕度和剪切频率为；γ=72.3°ωc=50.8rad/s知系统已经符合性能指标要求，并进行验算得到系统地超调量和响应时间为：σ=17.99%ts=0.1287s经过验算，知控制系统经过串联迟后—超前校正后，已经符合性能指标要求。一、计算机辅助设计控制系统固有部分的Simulink仿真框图如图1图1绘制系统地Bode图如图2图2根据人工设计所得到的校正环节，并根据仿真结果进行适当调试和修正，得到控制系统的最终校正环

6、节，GC1s=0.2222s+14s+1GC2s=0.018s+10.01059s+1并设计Simulink仿真框图如图3图3并得到控制系统校正后的Bode图如图4图4根据得到的Bode图，得到系统的相角裕度和剪切频率为：γ=68.2°ωc=71.2rad/s应用Simulink，对系统进行阶跃响应仿真测试，仿真框图如图5图5并得到系统地阶跃响应曲线如图6图6根据阶跃响应曲线，得到系统地超调量和响应时间分别为：σ=5%ts=0.104s符合性能指标要求。继续对系统进行速度信号仿真测试，仿真框图如图7所示：图7并得到

7、仿真曲线如图8：图8经过速度信号仿真测试，得到系统地稳态误差符合性能指标要求。一、校正装置电路图与电路参数串联迟后-超前校正装置电路图如图9所示：图9根据校正装置中的电容电阻与校正环节的T、τ之间的关系，可以求得校正环节中：R1=1KΩR2=10KΩR3=1KΩR4=100KΩC1=18μFC2=1.06μFC3=222.2μFC4=40μF一、设计结论经过人工设计和计算机辅助设计，最终得到串联校正环节为：GC1s=0.2222s+14s+1GC2s=0.018s+10.01059s+1并经过仿真验证，得到系统的相

8、角裕度和剪切频率为：γ=68.2°ωc=71.2rad/s并得到系统地性能指标为：σ=5%ts=0.104s最终符合性能指标要求，完成对控制系统的校正。二、心得体会在本次自动控制原理课程设计中，我再次复习巩固了自动控制原理课程的理论基础知识，对控制系统的频率分析法有了进一步的理解和掌握，更加熟悉了手工绘制控制系统传递函数Bode图的方法，并能更加熟练的从中求