自动控制原理课程设计--给水泵勺管控制系统的设计与仿真

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1、自动控制原理课程设计论文课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：给水泵勺管控制系统的设计与仿真院系：英才学院自动化班级：XXX设计者：XXX学号：XXX指导教师：设计时间：2014.02.20——2014.03.20同学：XXX自动控制原理课程设计任务书设计题目：给水泵勺管控制系统的设计与仿真1．已知控制系统直流电机的主要参数如下：电机转动惯量负载转动惯量电机转矩灵敏度反电势系数电机电枢电阻电机电枢电感堵转电压堵转电流堵转转矩空载转速2．已知控制系统固有传递函数（或框图）如下：带传动机构的给水泵勺管系统固有传递函数为3．性能指标A（1）开环放大倍数

2、（2）剪切频率（3）相位裕度（4）谐振峰值（5）超调量（6）过渡过程时间（7）角速度（8）角加速度（9）稳态误差（10）幅值裕度不小于8dB4．性能指标B（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）过渡过程时间（7）角速度（8）角加速度（9）稳态误差5．设计要求与步骤（1）设计系统，分别满足性能指标A和B。（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。（

3、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、系统校正前后及校正装置的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1设计要求1.1控制系统框图已知控制系统固有传递函数（或框图）如下：带传动机构的给水泵勺管系统固有传递函数为1.2性能指标要求性能指标要求为：（1）开环放大倍数（2）相位裕度（3）

4、幅值裕度不小于8dB2设计过程2.1放大环节原传递函数进行标准化化简得系统在Simulink下的框图如图其Bode图形为可以看出当前的放大倍数K=2相位裕度剪切频率任务要求中对开环放大倍数K的要求为开环放大倍数易得，放大环节需要放大10倍。即：新的传递函数为放大后的框图为：其Bode图为：可以看出当前的放大倍数K=20相位裕度剪切频率2.2总体设计方案—基于超前滞后校正方法2.2.1要求系统的剪切频率与相角裕度已知中的要求幅值裕度不小于8dB对幅值裕度的定义为此处即在的前提下解该不等式，得到所以，原题的要求可以简化成（1）开环放大倍数（2）相位裕度

5、（3）剪切频率2.2.2放大后系统剪切频率与相角裕度放大后的系统的Bode图为由Bode图可以看出当前的放大倍数K=20相位裕度剪切频率相位裕度小于要求值，而剪切频率满足要求，且与临界值0.4607相距较大，使用滞后-超前校正。2.2滞后环节设计2.2.1滞后环节参数计算如Bode图可知，原系统相角裕度过小，单一靠超前校正其超前相位可能过大，因此先设计滞后环节将原系统的剪切频率减小，增加相角裕度。如下图试利用滞后环节将剪切频率矫正到附近。滞后环节形式由于且由图读出可得由，取，得到因此校正环节的传递函数为：2.2.2滞后环节电路实现采用如下校正网络校

6、正：由于电路参数为：联立式，得到：最终，滞后环节的传递函数为：2.2.3加入滞后环节后的系统加入滞后环节后，系统的方框如图：其bode图如下：可以看出，其剪切频率，相位裕度此时剪切频率满足要求值，且与临界值接近，而相位裕度小于要求值2.3超前环节设计2.3.1超前环节参数计算为了使得相角裕度满足，采用超前环节增加相角。超前环节形式为：有超前环节的设计方法取，由得到求解解得因此，新的剪切频率为：故此时，超前环节的传递函数为：2.3.2超前环节电路实现采用如下校正网络校正：由于电路参数为：联立？？？？式，并结合实际可能得到的电阻，电容值，可得到：，且2

7、.2.3加入滞后环节后的系统加入滞后环节后，系统的方框如图：其Bode图为可以看出，其剪切频率，相位裕度满足了系统（1）开环放大倍数（2）相位裕度（3）剪切频率的要求。3设计结果校验与仿真3.1校正后的方框图3.2校正后的开环bode图可以看出校正后系统的剪切频率，相位裕度3.3校正后系统的阶跃响应Figure1系统的阶跃响应更进一步观察：Figure2系统阶跃响应的局部放大图可以看出，校正完成后的系统满足设计要求。4总结1．通过这次课程设计，给了实际的工程背景，我学会了利用仿真解决实际问题的方法。2．本系统采用了超前滞后控制的方法改善了系统的动态

8、性能。可以用放大器和电阻、电容网络，改善系统的动态特性。3．对于一个振荡环节，在未进入稳态区时，波动一般较大，可以通过加串