自動控制原理課程設計一、設計目的

通過課程設計，掌握自動控制理論基本原理、一般電學系統自動控制方法的基礎上，用MATLAB實現系統的仿真與調試。二、設計要求

收集和查閱有關技術資料，獨立完成所承擔的設計課題的全部內容，初步掌握設計原則、設計方法、設計步驟和設計規范的應用；對工程設計方案進行選擇和分析；繪制設計圖；撰寫說明書。具體要求如下：1.根據所學的控制理論知識（頻率法、根軌跡法等）進行人工設計校正裝置，初步設計出校正裝置傳遞函數形式及參數；2.在MATLAB下，用simulink進行動態仿真，在計算機上對人工設計系統進行仿真調試，使其滿足技術要求；3.確定校正裝置的電路形式及電路參數（選作）；4.完成設計報告。三設計任務燃氣調節控制系統校正裝置設計已知為單位反饋控制系統的燃氣調節控制系統，其開環傳遞函數為，用根軌跡法設計超前校正裝置，是系統滿足最大超調量,調整時間。四設計原理概述1、何謂校正為何校正所謂校正，就是在系統中加入一些其參數可以根據需要而改變的機構或裝置，是系統整個特性發生變化。校正的目的是為了在調整發大器增益后仍然不能全面滿足設計要求的性能指標的情況下，通過加入的校正裝置，是系統性能全面滿足設計要求。2、超前校正的原理無源超前網絡的電路如圖1所示。圖1無源超前網絡電路圖如果輸入信號源的內阻為零，且輸出端的負載阻抗無窮大，則超前網絡的傳遞函數可寫為（2—1）式中,通常為分度系數，T叫時間常數，由式（2-1）可知，采用無源超前網絡進行串聯校正時，整個系統的開環增益要下降倍，因此需要提高放大器增益交易補償。根據式（2-1），可以得無源超前網絡的對數頻率特性，超前網絡對頻率在1/T至1/T之間的輸入信號有明顯的微分作用，在該頻率范圍內，輸出信號相角比輸入信號相角超前，超前網絡的名稱由此而得。在最大超前交頻率處，具有最大超前角。超前網路（2-1）的相角為（2-2）將上式對求導并令其為零，得最大超前角頻率（2-3）將上式代入（2-2），得最大超前角頻率（2-4）同時還易知僅與衰減因子有關。值越大，超前網絡的微分效應越強。但的最大值受到超前網絡物理結構的制約，通常取為20左右（這就意味著超前網絡可以產生的最大相位超前大約為65度）如果要得大于的相位超前角，可用兩個超前校正網絡串聯實現，并在串聯的兩個網絡之間加一個隔離放大器，以消除它們之間的負載效應。利用超前網絡或PD控制器進行串聯校正的基本原理，是利用超前網絡或PD控制器的相角超前特性。只要正確地將超前網絡的交接頻率1/T或1/T選在待校正系統截止頻率的兩旁，并適當選擇參數和T，就可以使已校正系統的截止頻率和相角裕度滿足性能指標的要求，從而改善系統的動態性能。使校正后系統具有如下特點：低頻段的增益滿足穩態精度的要求；中頻段對數幅頻特性的斜率為-20db/dec，并具有較寬的頻帶，使系統具有滿意的動態性能；高頻段要求幅值迅速衰減，以減少噪聲的影響。3、超前校正在根軌跡中的應用方法。用根軌跡法設計超前校正裝置的步驟為：根據要求的性能指標，確定希望主導極點的位置。繪制原系統的根軌跡，如果根軌跡不能通過希望的閉環主導極點，則表明僅調整增益不能滿足給定要求，需加校正裝置；如果原系統根軌跡位于期望極點的右側，則應串入超前校正裝置；計算超前校正裝置應提供的超前相角；求校正裝置的零、極點位置；由幅值條件確定校正后系統增益；檢驗系統的性能指標，如果系統不能滿足要求指標，適當調整零、極點；如果需要大的靜態誤差系數，則應采用其它方案。五設計過程1、初始狀態的分析確定期望極點：根據，（取5%的誤差帶），根據題中要求條件，由分析計算得，取，又根據要求條件經計算得：。根據根軌跡法則，經計算，求得S復平面上期望極點的位置：又待校正的開環傳遞函數為：上式為最小相位系統，用手畫出原系統的根軌跡圖圖2校正前系統的根軌跡由以上過程可以看到原系統根軌跡需要加以校正，可在系統的前向通道中串入超前校正裝置，校正裝置的確定應使串入超前校正裝置后的根軌跡通過希望的閉環主導極點。2、校正裝置參數的選擇和計算求校正裝置的傳遞函數：根據前面的分析，運用MATLAB計算校正的傳遞函數。計算程序如下：>>s1=-6.0001+15.6492i;>>ng=1;dg=[120750];>>ngv=polyval(ng,s1);dgv=polyval(dg,s1);>>g=ngv/dgv;zeta=angle(g);>>ifzeta>0;phic=pi-zeta;end;>>ifzeta<0;phic=-zeta;end;>>phi=angle(s1);zetaz=(phi+phic)/2;zetap=(phi-phic)/2;>>zc=real(s1)-imag(s1)/tan(zetaz);>>pc=real(s1)-imag(s1)/tan(zetap);>>nc=[1-zc];dc=[1-pc];>>nv=polyval(nc,s1);dv=polyval(dc,s1);kv=nv/dv;>>kc=abs(1/(g*kv));>>ifzeta<0;kc=-kc;end;>>kc>>Gc=tf(nc,dc)通過在MATLAB中運行以上程序，可以得到校正器的傳遞函數為:kc=2.06995e+004Transferfunction:S+0.06531……….S+73.12即校正器傳遞函數為：校正后的系統傳遞函數為：3、校正后的驗證根據校正后的結構與參數，我們運用MATLAB可以得到系統的階躍響應曲線以及其性能指標。其程序如下：>>globalyt;>>s2=tf([13.841],[173.12]);>>s1=tf(20699.5,[120750]);>>sope=s1*s2;sys=feedback(sope,1);>>step(sys)>>[y,t]=step(sys);>>[sigma,tp,ts]=ste(y,t)運行該程序，可得到系統的階躍響應曲線，如下圖3所示。-圖3系統階躍響應曲線并有系統性能指標。超調量：sigma=0.2489峰值時間：tp=0.2209調節時間：ts=0.3037即校正后系統的階躍響應品質指標是：調節時間ts=0.3037<0.5s,超調量=24.89%<30%。因此，階躍響應品質指標超調量與調節時間均已滿足題目要求。4、校正對系統性能改變的分析由以上知校正前和校正后系統的區別如下：1）加入校正裝置后，校正后系統的調節時間大大的減小，大大提升了系統的響應速度。2）校正后系統系統的超調量明顯減少了，阻尼比增大，動態性能得到改善。3）校正后系統的上升時間減小很多，從而提升了系統的響應速度。綜上，串入超前校正裝置后，明顯地提升了系統的動態性能指標，增強了系統的穩定性。5、對校正后的系統進行仿真通過對校正后的系統進行仿真，驗證校正物理可行性，其仿真裝置如圖：

圖4校正方框圖校正前校正后系統的單位階躍仿真曲線如在。原系統仿真結果：圖5校正后系統仿真結果：圖6心得體會在很多人眼中為期兩周的課程設計是一種煎熬，確實，課設和我們習慣的單純的看書做題目不一樣，它更考驗我們對知識的理解和應用。通過這次自控的課程設計中我可謂受益匪淺。首先當然是對于課本知識的再學習和更深刻的理解，和做題目不一樣，在做課設時需要全方面的考慮問題，而不是單純的算出一個結果，特別是對與校正系統，在試取值時需要耐心的驗算，在校正后還需要前后的對比分析，我這次在校正時剛開始就沒能取到合適的值，但是在重新取值后最終還是滿足了要求。雖說這個過程并不算是多么的漫長或艱難，但是這種經歷確實能讓我們養成一種不斷探索的科學研究精神，我想對于工學學生這個是很重要的。這次課設對我的另一大考驗就是MATLAB的應用，雖說之前上過基礎強化訓練課，但是并沒有具體到在自控上的應用，所以自己查資料是必須的，對于工科學生來說查資料也是必備的能力，有些問題在不會時看上去很可怕，但是在看過資料后才發現也沒有想象的那么難，這次課設中用到的MATLAB就比我之前想的要容易，我想之搞課設很大的一方面原因也是為了提高我們的自學意識和自學能力，通過這次課設，我在查資料的能力上也確實得到了提高，除開圖書館，上網搜索也的確是不錯的選擇。不少人抱怨在大學學不到東西，我并不這樣認為。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是課設給我知識之外的一