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1、精品文档扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告课 程 名 称：自动控制原理题 目 名 称：三阶系统校正年级专业及班级： 姓 名： 学 号： 指 导 教 师：李喆评 定 成 绩：教 师 评 语： 指导老师签名： 年 月 日自动控制原理及专业软件课程实习任务书一、课程实习的目的1培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力；2掌握自动控制原理的时域分析法、根轨迹法、频域分析法，以及各种校正装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标；3学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真
2、工具进行系统仿真与调试；4学会使用硬件搭建控制系统；5锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力，为今后从事控制相关工作打下较好的根底。二、课程实习任务某系统的开环传递函数为：分析系统是否满足性能指标：1系统稳态速度误差系数=5s-1;2相角裕度。如不满足，试为其设计串联校正装置。三、课程实习内容1未校正系统的分析：1利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图2绘画根轨迹，分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能稳定性、快速性。3作出单位阶跃输入下的系统响应，分析系统单位阶跃响应的性能指标。4绘出系统开环传函的bode图，利用频域分析方法分析系统的频域性能指标相角裕度和幅值裕度，开环振
3、幅。2利用频域分析方法，根据题目要求选择校正方案，要求有理论分析和计算。并与Matlab计算值比拟。3选定适宜的校正方案串联滞后/串联超前/串联滞后-超前，理论分析并计算校正环节的参数，并确定何种装置实现。4绘画已校正系统的bode图，与未校正系统的bode图比拟，判断校正装置是否符合性能指标要求，分析出现大误差的原因。5求此系统的阶跃响应曲线。分析采用的校正装置的效果。6绘画模拟电路，提出校正的实现方式及其参数。7总结包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程实习的认识等内容四、参考书籍1 ?自动控制原理?胡寿松主编2 ?MATLAB语言与控制系统仿真?孙亮主编3 自行查找的材料五、课程
4、实习时间安排一周1 查阅参考书籍和手册及资料文献1.5天。2 MATLAB语言在自动控制原理中的应用，Simulink建模方法1.5天。3 应用MATLAB和Simulink仿真，并撰写实习报告1.5天。4 验收及校验0.5天目录摘要51、绪论62、设计的目的、任务及内容72.1课程实习的目的72.2课程实习任务72.3课程实习内容73、系统分析以及校正83.1开环增益确实定83.2未校正系统的分析8未校正系统的开环和闭环零极点图8未校正系统根轨迹图10未校正系统频域分析11未校正系统频域分析124、系统的校正134.1校正方案的选择134.2校正装置确实定及性能指标的检验134.3校正前、后
5、系统的时域分析比拟144.4校正前、后系统的频域分析比拟165、电路设计175.1典型环节电路17比例环节P17积分环节I18比例积分环节PI185.1.4 惯性环节T195.1.5 比例微分环节PD205.1.6 比例积分微分环节PID215.2校正装置电路236、SIMULINK仿真246.1校正前单位阶跃响应仿真246.2校正后单位阶跃响应仿真247、总结268、参考文献27摘要通过对未校正系统进行分析，得知系统需要校正才能满足要求。根据对原系统的时域、复域和频域分析结果，这里采用串联滞后超前校正装置对其进行校正，理论计算得到校正装置的参数。分析、校正过程中借助了Matlab语言、Sim
6、ulink工具箱仿真工具。经检验，校正后的系统满足性能指标的要求。1、绪论自动控制作为一种重要的技术手段，在工程技术和科学研究中起着极为重要的作用。对于一个已经完成的系统，它的各个参数是确定的，稳定性也是确定的。当某一系统不稳定或者不满足设计要求时，就需要我们来对系统进行校正以使得系统稳定或者满足设计要求。自动控制系统是否能够很好地工作，是否能精确地保持被控制量按照预定的要求规律变化，这取决于被控对象和控制及各元器件的结构和特性参数是否设计得当。在理想情况下，控制系统的输出量和输入量在任何时候均相等，系统完全无误差，且不受干扰影响。然而，在实际系统中，由于各种原因，系统在受到输入信号也包括扰动
7、信号的鼓励时，被控制量将偏离输入信号作用前的初始值，经历一段冬天过程过度过程，那么系统控制性能的好坏，可以从动态过程比拟充分地表现出来。控制精度是衡量系统技术性能指标的重要尺度。一个高品质的系统，在整个运行过程中，被控量对给定的偏差应该是最小的。考虑动态过程在不同阶段中的特点，工程上通常从稳、准、快三个方面来衡量自动控制系统。对不同的控制对象，系统对稳、准、快的要求有所侧重。统一系统中，稳、准、快是相互制约的。提高过程的快速性，可能会加速系统振荡；改善了平稳性，控制过程又可能拖长，甚至使最终精度也变差。本文将对一个简单系统的性能进行评价2、设计的目的、任务及内容2.1课程实习的目的1.培养理论
8、联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力；2.掌握自动控制原理的时域分析法、根轨迹法、频域分析法，以及各种校正装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标；3.学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试；4.学会使用硬件搭建控制系统；5.锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力，为今后从事控制相关工作打下较好的根底。2.2课程实习任务某系统的开环传递函数为： 分析系统是否满足性能指标：1系统稳态速度误差系数Kv=5s-1;2相角裕度 。如不满足，试为其
9、设计串联校正装置。2.3课程实习内容1.未校正系统的分析：a.利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图b.绘画根轨迹，分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能稳定性、快速性。c.作出单位阶跃输入下的系统响应，分析系统单位阶跃响应的性能指标。d.绘出系统开环传函的bode图，利用频域分析方法分析系统的频域性能指标相角裕度和幅值裕度，开环振幅。2.选定适宜的校正方案串联滞后/串联超前/串联滞后-超前，理论分析并计算校正环节的参数，并确定何种装置实现。3.绘画已校正系统的bode图，与未校正系统的bode图比拟，判断校正装置是否符合性能指标要求，分析出现大误差的原因。4.求此系统的阶跃响应曲
10、线。分析采用的校正装置的效果。5.绘画模拟电路，提出校正的实现方式及其参数。6.总结包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程实习的认识等内容3、系统分析以及校正3.1开环增益确实定 取K=5 那么待校正开环系统传递函数为：3.2未校正系统的分析未校正系统的开环和闭环零极点图图3.1 校正前系统的开环零极点图 图3.2 校正前系统的闭环零极点图结论：由闭环零极点图可以看出：系统有一个极点在左半平面，有两个在右半平面，故系统不稳定。 n=5; d=conv(1 0,conv(1 1,0.5 1); Go=tf(n,d); pzmap(Go) clop=feedback(Go,1)clop =
11、 5 - 0.5 s3 + 1.5 s2 + s + 5Continuous-time transfer function. pzmap(clop)3.2.2未校正系统根轨迹图图3.3未校正系统的根轨迹图 d=conv(1 0,conv(1 1,0.5 1); n=5; Go=tf(n,d); rlocus(Go); k,r=rlocfind(Go)Select a point in the graphics windowselected_point = 0.0024 + 1.4348ik = 0.6186r = -3.0168 + 0.0000i 0.0084 + 1.4319i 0.008
12、4 - 1.4319i由根轨迹图可以看出来，当开环增益从零到无穷大时，根轨迹有一局部在右半面，由matlab作图可知：当kg0.6186时，根轨迹处于系统右半面，开环系统不稳定；当kg clop=feedback(Go,1); step(clop) grid3.2.4未校正系统频域分析图3.5未校正系统频域图 bode(Go) grid gm,pm,wg,wp=margin(Go)gm = 0.6000pm = -12.9919wg = 1.4142wp =1.8020由bode图可知：系统的相位裕度为c=-12.9919 n1=125 5; d1=conv(1 0,conv(1 1,conv
13、(0.5 1,280.5 1); bode(n1,d1) margin(n1,d1)由标注可以看出相位裕度为51.340，满足要求，故该校正环节设计正确。4.3校正前、后系统的时域分析比拟图4.2校正前系统的时域图图4.3校正后系统的时域图 G1=tf(n1,d1); clop1=feedback(G1,1); step(clop1)由校正前、后的阶跃响应图像可以看出：校正后，系统稳定，响应的振荡减弱，动态性能优化。4.4校正前、后系统的频域分析比拟由校正前、后的bode图像可以看出：校正后，截止频率减小，相角裕度增加，系统趋于稳定。5、电路设计5.1 典型环节电路5.1.1比例环节P图5.1
14、比例环节方框图传递函数：，其中图5.2比例环节模拟电路和实验仿真图5.1.2积分环节I图5.3积分环节方框图传递函数：，其中图5.4积分环节模拟电路图和实验仿真图5.1.3比例积分环节PI图5.5比例积分环节方框图传递函数：，其中，图5.6比例积分环节模拟电路图和实验仿真图5.1.4 惯性环节T图5.7惯性环节方框图传递函数：，其中，图5.8惯性环节模拟电路图和实验仿真图5.1.5 比例微分环节PD图5.9比例微分环节方框图传递函数：，其中，图5.10比例微分环节模拟电路图和实验仿真图5.1.6 比例积分微分环节PID图5.11比例积分微分环节方框图传递函数：，其中，图5.12比例积分微分环节
15、模拟电路图和实验仿真图5.2校正装置电路图5.13校正装置图传递函数：，惯性环节中 ，微分环节中，6、SIMULINK仿真6.1校正前单位阶跃响应仿真6.2校正后单位阶跃响应仿真7、总结在课程设计过程中，我学会了分析问题的方法，加深了对自动控制的理解，根本掌握了校正系统的设计方法。当遇到难题要沉着冷静，多询问，多查阅资料，会对自己有很多帮助。同时也发现了自己知识的欠缺和课本内容的不扎实。这次课程设计也让我知道了在今后学习中要注意和改良的地方，总之收获颇多。通过这次的课程设计，对自动控制原理进行了进一步的学习，初步尝试并掌握了校正的各种方法。此外Matlab软件的使用，也了解了它的许多以前不知道的功能。掌握了从设计方案的要求来进行未校正系统的分析，然后落实到每一个参数，按要求进行法案选择并校正系统。同时加深了对系统的稳定性理解，一些在连线图中较为复杂的连接方式在实际连接中也能更加清楚地进行观察理解。这次课程设计不仅需要良好的理论知识，同时也要有一定的实验操作技能，否那么无法正确到达控制效果，在实验中需要屡次检查与测试，加深了课上学习知识的同时也加强了实际操作能力。8、参考文献1 胡寿松主编，?自动控制原理?，科学出版社，2007.2孙亮主编，?MATLAB语言与控制系统仿真?，北京工业大学出版社，2006.欢迎下载