自動控制原理課程設計題目：水箱流量控制系統校正裝置設計系別專業班級學號學生姓名指導教師提交日期一、設計目的首先，通過對水箱流量控制系統的分析，加強對水箱流量控制系統的認識，并掌握超前校正網絡設計的方法。其次，通過課程設計，培養分析問題解決問題的能力。此外，使用Matlab軟件進行系統仿真，從而進一步掌握Matlab的使用。二、設計任務及要求初始條件：已知單位反饋水箱流量控制系統，系統的開環傳遞函數為G要求：試用Bode圖設計法對系統進行超前串聯校正設計，使系統滿足：系統在單位斜坡信號作用下，系統的穩態誤差e系統校正后，系統的相角裕量40三、設計任務分析雖然在頻域內進行系統設計，是一種間接的設計方法，因為設計結果滿足的是一些頻域指標，而不是時域指標。然而，在頻域內設計又是一種簡便的方法，在Bode圖上雖不能嚴格定量地給出系統的動態特性，但卻能方便的根據頻域指標確定校正裝置的參數，特別是對以校正系統的高頻特性有要求時，采用頻域法校正較其他方法更為方便。一般來說，開環頻率特性的低頻段表征了閉環系統的穩態性能；開環頻率特性的中頻段表征了閉環系統的動態性能；開環頻率特性的高頻段表征了閉環系統的復雜性和噪音抑制功能。因此，用頻域法設計控制系統的實質，就是在系統中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，使開環系統的頻率形狀變成所期望的形狀：低頻段要有一定的高度和斜率；中頻段的斜率最好為-20四、設計內容4.1根據所要求的穩態性能指標，確定系統滿足穩態性能要求的開環增益K由要求（1）：系統在單位斜坡信號作用下，系統的穩態誤差esseK得K≥1000，取K=1000。4.2繪制k=1000值下的系統的Bode圖，并求出系統的相角裕量γ待校正系統的開環傳遞函數G作出K=1000時未校正系統的Bode圖，其漸近線如圖1所示L60-20dB/dec300-40dB/dec-30-60-60dB/dec100100102φ(ω)0-90°-180-270-36010-410°101102圖1：未校正系統的Bode圖計算未校正系統的開環剪切頻率ω相應的相角裕量為γ=90=相角裕度小的原因，是因為待校正系統的對數幅頻特性中頻區的斜率是-40dBdec，系統的動態特性會有嚴重的振蕩，需要校正裝置校正。4.3確定為使系統的相角裕量達到要求值，所需增加的超前相角φcφ式中，γ為要求的相角裕量；ε是因為考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量，未校正系統中頻段的斜率為-40dB/dec，故取εφ4.4令超前校正網絡的最大超前相角φm=α=校正后系統剪切頻率ωc2=ωm處，校正網絡的對數幅值-20lgα=8.76dB-8.76-0=-40lgω4.5計算校正網絡的兩個轉折頻率ωω4.6寫出校正后系統的開環傳遞函數為補償超前校正網絡造成的幅值衰減，附加一個放大器KcG做出校正后的系統結構圖和Bode圖，如圖2所示校正裝置被控對象R(s)Y(s) _ 0.0166s+10.0022s+11000s0.1s+1(0.001s+1)圖2：校正后系統的Bode圖和系統結構圖4.7檢驗系統的特性校正后的相角裕量為：γ==由于40校正后系統的性能指標滿足要求。由Matlab畫出校正后的Bode，可以得到穩定性裕量的精確值ωc=164rad4.8在Simulink仿真環境下對校正后的系統進行仿真，并與校正前比較加校正環節前后的仿真模型如圖3所示。其中校正前和校正后的單位階躍響應曲線如圖4、5所示。圖3：加校正環節前后的仿真模型圖4：校正前的系統單位階躍響應曲線圖5：校正后的系統單位階躍響應曲線通過仿真曲線可以看出，校正前系統不穩定，單位階躍響應振蕩劇烈。而校正后系統的單位階躍響應，其時域指標性能指標無論是超調量還是過渡過程時間都較小，故該校正裝置能夠很好的達到設計要求，可以取用。五、設計總結本次設計表明，系統經串聯校正后，中頻段對數幅頻特性斜率為，并具有足夠的寬度，從而系統的相角裕量增大，動態過程超調量下降。因此，在實際運行的控制系統中，其中頻段對數幅頻特性大多具有的斜率。此次設計還讓我了解了自動控制原理中校正系統的基本概念及其對系統設計的相關應用，通過對初步知識的了解，對校正系統各種方案的比較，進一步了解了校正系統的合理性和實用性。什么樣的課程設計都離不開理論與實際相結合的真理，設計過程中的方案選擇和參數設定使我進一步深刻認識到自控原理中校正環節對整個系統的重要作用。一個細小的參數設定出現偏差，可能導致最后的性能指標不和標準。所以選擇一個優良的方案對于實驗至關重要。

我認為，在設計時應該怎樣少走一些彎路，怎樣能夠非常透徹的理解系統并用簡單方法設計校正裝置，我想這是這次課程設計最鍛煉人的地方。然而這也要求我們有相當厚實的理論基礎，并能很好地運用到實際中去。這是我們學習和掌握好自控原理最重要的。我們運用Matlab軟件進行系統仿真驗證，這不僅對我們設計帶來了方便，也能很準確地為我們改動參數提供依據，同時也讓我們對Matlab軟件進行了學習，為我們熟練運用Matlab打下了基礎。

這次課程設計充滿了挑戰，自己掌握的知識是很有限的，但是通過自己的學習和分析，大量的搜索相關的資料，以及老師同學的幫助，我順利的完成了這次設計，并且獲得了很大的收獲。通過這次課程設計，我對自動控制原理的實際應用有了更深的了解。當今世界很多產業已經進入自動化時代，這要求我們更好更多的掌握自動控制的原理和基本知識，將來才能更好的適應這個社會的發展。通過自己設計這樣一個比較簡單的水箱流量控制系統的校正裝置，我對簡單的控制系統有了整體的認識和了解，對系統工作的各個環節和各種指標分析都有了更深刻的認識。每一次課程設計都是我們自主學習和能力鍛煉的機會，我很高興自己能夠把握住這樣的機會，在一點一滴中鍛煉自己的毅力和能力。我相信經過這次課程設計，無論是對知識的掌握程度，還是組織