自動控控制理論課程設計PAGEPAGE0自動控制原理課程設計專業：電氣工程及其自動化設計題目：二階系統的綜合設計指導教師：班級：學生姓名：學號：分院院長：教研主任：電氣工程學院

一、設計內容及要求1、設計內容已知單位反饋系統的開環傳遞函數為，當時，其，要求，。試利用有源串聯超前校正網絡進行系統校正。2、設計要求1）根據性能指標要求，確定串聯超前校正裝置傳遞函數；2）根據計算結果確定有源超前網絡元件參數R、C值；3）設計原系統模擬電路、校正后系統電路；4）徒手繪制校正前、后及校正裝置對數頻率特性曲線；5）搭建電路，輸入階躍信號，記錄校正前、后系統的階躍響應曲線，分析結果；6）利用Matlab仿真軟件輔助分析設計，并驗算設計結果，繪制校正前、后及校正裝置對數頻率特性曲線；7）在Matlab-Simulink下建立系統仿真模型，求校正前、后系統單位階躍響應特性，并進行系統性能比較；8）設計完成后提交設計報告，內容包括：理論計算設計過程及結果、仿真設計過程及結果、確定校正裝置參數的過程，最后說明校正裝置的作用；9）手寫設計報告，Matlab仿真結果打印。二、參考資料[1]《自動控制原理》教材；[2]《自動控制原理實驗指導書》；[3]Matlab相關書籍；三、設計計劃（2011年12月5日~時間設計內容5~6日布置設計任務、查閱資料、理論設計7～14日Matlab仿真設計、Simulink仿真分析15～18日寫設計報告并提交四、時間及地點上午：8:00～11:00下午：1:00～16:00地點：新實驗樓321、323

目錄第一章校正裝置及其相關設計 31.1設計矯正裝置……………………..………31.1.1求原系統的超調量和調節時間….…………...……….31.1.2校正裝置的傳遞函數………….……...31.2設計校正前.后系統模擬電路…….…………31.2.1設計校正前系統的模擬電路…………………...…….31.2.2設計校正后系統的模擬電路……...….41.3會出系統前.后波特圖…………………...…...51.3.1校正前的波特圖的計算與繪制……………...……….51.3.2校正裝置的波特圖的計算與繪制………………...….51.3.3校正后的波特圖的計算與繪制…………….5第二章Matlab仿真軟件輔助分析設計 92.1Matlab簡介 92.2Matlab仿真 9第三章simulink仿真 133.1Simulink簡介 133.2Simulink仿真 133.2.1校正前仿真 133.2.2校正后仿真 14第四章實際電路響應 154.1校正前實際電路響應 154.2校正后的實際電路響應 16第五章數據的分析和總結…………….…….18附錄……………………...…………..19參考文獻：…………………..……….20

第二章Matlab仿真軟件輔助分析設計2.1Matlab簡介MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。2.2Matlab仿真首先在桌面上打開matlab7.1快捷方式然后單擊File→New,新建空白空間，最后再輸入想要的程序（此程序直接粘貼的）：a=10b=[110]g=tf(a,b)bode(g)grid也可以輸入a=10回車后再輸入b=[110]加回車以此類推直到把程序輸入完成。輸入結果是：表2-2然后后單擊鼠標左鍵點擊所要的點，進行截圖保存。用鼠標左鍵點擊可得Frequency=3.1rad/sec,agnitude=-0.101dB,hase=-162deg再粘入:a=[0.4561]b=[0.1141]g=tf(a,b)bode(g)grid回車結果為：圖2-2-2校正裝置仿真圖左鍵單擊選擇Wc`點對應的值及：Frequency=4.36rad/sec，Magnitude=5.99dB，Phase=36.9deg輸粘入：a=10b=[110]g1=tf(a,b)bode(g1)gridholdonc=[0.4561]d=[0.1141]g2=tf(c,d)bode(g2)a1=conv(a,c)b1=conv(b,d)g=tf(a1,b1)holdonbode(g)回車后結果為：圖2-2-3校正后裝置仿真圖從圖中可以讀出：校正前裝置：Fquency=3.07rad/sec，Magnitude=0.0549dB，Phase=-162deg校正裝置；Frequency=4.4rad/sec，Magnitude=6.03dB，Phase=36.9deg校正后裝置：Frequency=4.43rad/sec,agnitude=0.000601dB,Phase=-130deg

第三章simulink仿真3.1simulink簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink的簡單操作3.2Simulink仿真3.2.1校正前仿真打開Matlab后點擊Simulink會出現一個對話框。然后點擊File選擇新建Model此時會出現一個空白工作空間。左鍵點擊Sources選擇step階躍信號，用鼠標左鍵直接拖到空白工作空間。左鍵點擊MathOperations選擇Sum，用鼠標拖到工作空間后，雙擊會出現一個屬性框，在listofsigns欄中輸入+-點擊OK確定。左鍵點擊Continuous選擇Integrator積分環節拖到工作空間，在選擇TtransferFcn微分環節拖到工作空間。左鍵點擊MathOperations選擇Gain比例環節拖到空間后左鍵雙擊會出現一個對話框，把Gain值更改成10，擊OK確定。按照以上方法選擇示波器Scope。最后合理安排好各個環節的位置后，依次按順序用線連接結果如圖：圖3-2-1校正前仿真圖單擊startsimulation后雙擊Scope會出現波形，為了便于讀數在波形上右鍵點擊選擇Autoscale會出現如圖：圖3-3-2校正前響應圖3.2.2校正后仿真重復3.1.1的步驟然后單擊Continuous選擇Integrator積分環節拖到工作空間后雙擊積分環節，Numeratorcoefficient中輸入[0.4560.114]，按OK確定。合理安排位置和順序后連線結果如圖：圖3-3-3校正后仿真圖點擊startsimulation后雙擊Scope會出現波形，為了便于讀數在波形上右鍵點擊選擇Autoscale會出現如圖：圖3-3-4校正后響應圖第四章實際電路響應4.1校正前實際電路響應在拿到實驗箱后，與電腦進行連接，然后按所設計的電路圖進行連接，打開虛擬示波器，把電源電壓調到合適的大小后，把示波器上的儲存打開，按一下開關等幾秒后，關閉示波器進行讀數結果為：圖4-1-1校正前電路響應4.2校正后的實際電路響應按照校正后的電路進行連線，然后進行給電容放電，打開虛擬示波器，把示波器上的儲存打開，按一下開關等幾秒后，關閉示波器進行讀數結果為：圖4.2.1校正后電路響應數據分析和總結理論計算時：校正前：Wc=3.1,r=17.9°,σ%=60%，ts=6s校正后：Wc=4.4,r=49.8°,σ%=12.2%,ts=2.5Matlab仿真時：校正前：Wc=3.07,r=18°,σ%=60%,ts=6s校正后：Wc=4,43,r=50°,σ%=12.2%,ts=2.5s實際測量時：校正前:σ%=45%，ts=2.43s校正后：σ%=19%，ts=1.42s綜合以上分析超前校正的優點如下：(1)使開環截止頻率增大，閉環頻帶寬度增加，暫態響應加快。(2)可以在不改變系統的穩態性能的前提下，提高系統的暫態性能。(3)校正裝置容易實現。超前校正的缺點如下(1)由于頻率特性高頻段幅值的提高，降低了系統抗高頻干擾信號的能力。(2)需提高系統的放大倍數，以補償超前網絡對增益的衰減作用。(3)若待校正系統在其截止頻率附近，相頻特性衰減較快，一般不宜采用超前校正。因為即使采用超前網絡補償，補償效果也不顯著。(4)對于不穩定的系統，一般也不宜采用超前校正方法，否則由于α過大，