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1、自动控制原理课程设计题目自来水厂水流量控制系统校正装置设计专 业 姓 名 班 级 指导教师专郑州航空工业管理学院机电工程学院2012年12月1设计目的通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统 自动控制方法的基础上，用 MATLAB实现系统的仿真与调试。2、设计要求收集和查阅有关技术资料，独立完成所承担的设计课题的全部 内容，初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤和设计规范的应用； 对工程设计方案进行选择和分析；绘制设计图；撰写说明书。具体 要求如下：1、根据所学控制理论知识（频率法、根轨迹法等）进行人工设 计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数；2、使用MATLAB和Si
2、mulink，对加入的校正装置的系统进行 动态仿真，并在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足 技术要求；3、确定校正装置的电路形式及电路参数；4、完成设计报告。1设计任务书（题目）自来水厂水流量控制系统校正装置设计某自来水厂水流量控制系统的控制对象的开环传递函数为G0 s1，设计校正装置的传递函数，是校正后系S0.9s+1 X°.°°7s+1）统满足如下动态及静态性能指标：（1）系统的稳态速度误差系数KT1000S1 ； （ 2）阶跃响应超调量Mp0。貿300。/调整时间 0.25s。2、设计任务分析（1）首先通过人工计算数据，画出矫正前的Bode图由系统
3、的稳态速度误差系数 K _ 1000 s 可以确定增益K根据题目中的要求对系统的传递函数进行校正，画出Simulink仿真框图，校正后的Bode 图3设计过程1、利用根轨迹法进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数的形式及参数；2、根据所给的要求验证原系统是否符合要求，再按照校正装置的知识对系统进行校正；3、 在MATLA下，用simulink进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；4、确定校正装置的电路形式及电路参数并进行验证，验证 所添加的校正装置是否满足指标。1. 手工绘制开环传递函数画根轨迹图: 1)系统有三个开环极点：P1 "e =-1
4、, P" -1 ,没有开环零0.90.007点，所以根轨迹有三条，分别起始于开环极点，终止于无穷 远处；2) 根轨迹对称于实轴且连续变化；3) 渐近线有3条，渐近线与实轴的交点为：a = p1 p2 P347.983渐近线的倾角为：鵜申坐血/护=03H，k=14) 实轴上的根轨迹段位于0,-丄 和0-007： 上;-0.9J。0075) 根据分离点和会和点的公式：N'(s)M(s) -N(s)M'(s) =0解得：-0.5546) 分离角为：一 27) 根轨迹与虚轴的交点：32D(s) -0.0063s0.907s s 1 =032D(j ) - -0.0063j，-
5、0.907 j 1 = 0所以可得：与虚轴交点为 -11.68所以原系统的根轨迹如下图所示:4.1.数据计算题目中要求系统的稳态速度误差 Kv 1000S4,则可取那么满足系统稳态性能指标要求広=10000”，则校正环节要求的放大系数为：1000= 1=1000则此时开环传递函数为：10004-1X0007 +1)由 Mp 30%,Ts 乞0.25可得取 Mp =30%,Ts =0.25S可由公式:Wn得出二=o.33,wn =45.769rad/sSi - - Wn jw 一二 J n 严g则由公式 一 Wn - j Wn 1可得出八-怡j45.7697S2 =-16-j45.769由此可以
6、看出元系统根轨迹需要加以修正，可在前串入超前校正装置，校正装 置的确定，应使串入超前校正装置后的主极点通过希望的主导极点，也就是必 须满足/Gc(Sd)Go(Sd)二.Gc$) /Gc(0)=(2k1)校正装置产生的超前相角：tpc = NGc(Sd)= ±(2k +1)口 -NGo(s d)由题目要求得系统在希望主导极点上的相角为：Go(Sd)：1000Is吕二237.1270S(0.9S+1)(0.007S+1)-因此为使根轨迹通过希望的闭环极点，超前校正装置应在改点上产生c =57.127 的相角，而 V - arctan 45. 769= 70.73°16又由公式：
7、sinZc =Wn sin(口 -日-) sin (Y + 申 c)Pz 二 Wn 一si ng -日-7 -%)则可得：_ Zc _sin色-B -Y -®c)Pc sin(了 +%)sing -日-?)令* =0d可得咐J (1 - c)20C - c) =26.072 zc - -20.25pc - -103.57s + 20 25故校正装置的传递函数为：Gc(s)二“10357= 如25©04931)s 103.57103.57(0.009665+1)由前面算得Kc =1000,为补偿超前校正装置的幅度衰减，再传入一个放大倍数为K穿1000的补偿放大器。校正后系统的
8、开环传递函数为G C ( S ) G 0( S )1000(0.0493 S - 1)S - 1)S (0 . 9 ST)(Q-Q07ST)(D-00966手工画出校正后的根轨迹图如图所示:校正后的单位阶跃响应曲线如下图:Q Figure 1File Ed it View Insert Tools Desktop Wi ndow Help每 讦題住舉目B O由系统阶跃响应曲线图可以得到系统的稳态性能指标为:超调量：Mp% 二 5% 乞 30%调整时间：t s o.is ： 0.25s而且系统的稳态误差为：Kv二lim G（s）Gc（s）%二100010计算可得校正装置基本满足题目要求在Simu
9、link下的系统设计和校正:D I Q AI12 Q > > |血 ofii" "ZJ £8 出 ElIcZ 1 11 41SD Bir* 1n oo7iGQ|»>130 i260)1加校正环节前的仿真模型ft L : tlrd 'Fik Ldrt VinfcSifflulatior FornwE Too i HelpD I曲”妾辭|中 it-匝厂而石3 国虫閉虜： 耳ra嫁1：令¥! idi-45七. 设计感想通过对本次自动控制理论实践课程的设计，使我巩固了原有的理论知识，培养了我应用所学知识和技能来分析、解决实际问题的 能力。使理论与实际相结合，更加深了我对自动控制这门课程的理 解和掌握，尤其是对根轨迹和分析系统性能这一块有了更深入的学 习，在设计过程中激发了创新意识和创造能力，同时增强了MATLAB的认识与软件的操作技巧。今后我会更加努力的学习有关自控这方 面知识，不断扩充自己的专业知识。八. 参考资料1自动控制理论 电子工业出版社 谢克明 刘文定 等编著张德丰等编2. MATLAB自动控制系统设计 机械工业出版社 著