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1、武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 张志强张志强 专业班级：专业班级： 电气电气 08010801 班班 指导教师：指导教师： 肖肖 纯纯 工作单位：工作单位： 自动化学院自动化学院 题题 目目: : 飞行器控制系统设计飞行器控制系统设计 初始条件：初始条件： 飞行器控制系统的开环传递函数为： 控制系统性能指标为调节时间s008. 0，单位斜坡输入的稳态误差000443. 0，相角 裕度大于 75 度。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: :（包括课程设计工作量及其技术要求， 以及说明书撰写等具体要求） （1） 设计一个控制器，使系统
2、满足上述性能指标； （2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （3） 用 Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线， 并根据曲线分析系 统的动态性能指标； （4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分 析计算的过程， 给出响应曲线， 并包含 Matlab 源程序或 Simulink 仿真模型， 说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排：时间安排： 任务 时间（天） 指导老师下达任务书，审题、查阅相关资料 2 分析、计算 3 编写程序 2 撰写报告 2 论文答辩 1 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）
3、签名： 年年 月月 日日 4500 ( ) (361.2) K G s s s 目 录 1 题目分析. 1 1.1 分析计算 . 1 1.2 MATLAB 模拟仿真计算 0 r 的值 . 2 2 超前校正原理 3 2.1 超前校正特性 3 2.2 超前校正参数的确定 3 3 求出校正前系统稳定性 . 5 3.1 校正前系统的伯德图及相应的 MATLAB 源程序 . 5 3.2 校正前系统的乃奎斯特图及相应的 MATLAB 源程序 . 5 3.3 校正前系统的单位阶跃响应及动态性能 6 4 系统校正. 8 4.1 确定超前校正的相关参数计算 8 4.2 校正后系统传递函数 8 4.3 MATLA
4、B 模拟仿真计算 0 r 的值 . 8 4.4 校正后系统的伯德图及相应的 MATLAB 源程序 . 9 4.5 校正后系统的乃奎斯特图及相应的 MATLAB 源程序 10 4.6 校正后系统的单位阶跃响应及动态性能 . 10 5 课程设计小结 15 6 参考文献 16 1 飞行器控制系统设计飞行器控制系统设计 1 题目分析 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件: 飞行器控制系统的开环传递函数 控制系统性能指标为调节时间s008. 0，单位斜坡输入的稳态误差000443. 0，相角 裕度大于 75 度。 1.1 分析计算 根据本题的初始条件可绘制系统的结构图如图 1 所示。 R(s) C(s
5、) 图 1 飞行器控制系统的结构图 根据给定的稳态指标，试确定符合要求的开环增益 K。根据本题目要求稳态误差 Ess （）000443. 0，说明校正后的系统仍是“1”型系统。 试选定正确的校正方法进行系统校正！首先，要计算出 k 的大小。然后计算开环 截止频率 Wc 的大小，从而确定相位裕度角 0 r的大小。 通过 Ess（）000443. 0得： Ess（）= 1 4500 /361.2k 000443. 0 经过计算 k181,取 k=181。 计算截止频率： =1 4500 361.2 k s s 4500 181 (361.2)jw jw 4500 ( ) (361.2) K G s
6、 s s 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 2 再通过： 0 r= 0 180 + ()()G jw H jw 通过计算得到 0 r= 0 22.6 0 0且 0( )() cc Gjw H jw 1c w c w 取 011 ()() cc GjwH jw 0( )() cc Gjw H jw 其中， 1c w为校正后的截止频率。的选取在本题中一般在 0 5 0 10之间。 () c Gjw= () c jw=arctanaTwarctanTw 相频特性： 1 1 aTs Ts 1 ( ) 1 c aTs G s Ts G（s） H（s） 1 1 jaTw jTw 武汉理工大学自动控制
7、原理课程设计说明书 4 = - =0 求得 m w= 于是 m = = 所以 a= 使超前校正装置的最大超前相角出现在校正后系统的截止频率 1c w上，即 1c w= m w。 取未校正系统幅值为10lg ()a dB时的频率作为校正后系统截止频率 1c w。 即 11 10lg ()20lg()() cc a dBG jwH jw 1c w= m w T= 写出 从而得出校正后的系统传递函数 1( ) G s=( ) c G s( )G s 再对系统进行校验，确定所求( ) c G s是否为正确的超前校正函数。校验结果满足所给 条件即为校正成功，反之重新校正。 2 1 () aT aTw 2
8、 1 () aT Tw () c djw dw 1 aT 11 arctanarctanaTT aTaT 1 arcsin 1 a a 1 sin 1 sin m m 1 m aw 1 ( ) 1 c aTs G s Ts 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 5 3 求出校正前系统稳定性 3.1 校正前系统的伯德图及相应的 MATLAB 源程序 校正前伯德图的 MATLAB 源程序及运行结果： G=tf(815350,1 361.2 0),bode(G) Transfer function: 815350 - s2 + 361.2s 校正前系统的伯德图如图 3 所示。 图 3 校正前系统的
9、伯德图 3.2 校正前系统的乃奎斯特图及相应的 MATLAB 源程序 校正前乃奎斯特图的 MATLAB 源程序及运行结果： G=tf(815350,1 361.2 0),nyquist(G) Transfer function: 815350 - s2 + 361.2 s 校正前系统的乃奎斯特图如图 4 所示。 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 6 图 4 校正前系统的乃奎斯特图 3.3 校正前系统的单位阶跃响应及动态性能 校正前系统单位阶跃响应如图 5 所示。 图 5 校正前系统单位阶跃响应图 校正前动态性能相应的 MATLAB 源程序及相应结果： sys=tf(0 815350,1
10、361.2 0); c=dcgain(sys) y,t=step(sys); 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 7 Y,k=max(y); tp=t(k) mp=(y-c)/c n=1; i=length(t); while (y(i)0.98*c) c=dcgain(sys) y,t=step(sys); Y,k=max(y); tp=t(k) mp=(y-c)/c n=1; i=length(t); while (y(i)0.98*c) end ts=t(i) c = 2.3458e+003 tp = 0.0117 mp = 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 12 -1.000
11、0 -0.4913 -0.3075 -0.2367 -0.2055 -0.1883 -0.1763 -0.1664 -0.1575 -0.1493 -0.1416 -0.1342 -0.1273 -0.1207 -0.1145 -0.1086 -0.1030 -0.0977 -0.0926 -0.0879 -0.0833 -0.0790 -0.0749 -0.0491 -0.0465 -0.0441 -0.0418 -0.0397 -0.0376 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 13 -0.0357 -0.0339 -0.0321 -0.0304 -0.0289 -0.0260 -0.
12、0246 -0.0234 -0.0222 -0.0210 -0.0199 -0.0179 -0.0170 -0.0161 -0.0153 -0.0145 -0.0124 -0.0117 -0.0111 -0.0106 -0.0100 -0.0095 -0.0090 -0.0085 -0.0081 -0.0077 -0.0073 -0.0069 -0.0066 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 14 -0.0062 -0.0059 -0.0056 -0.0053 -0.0050 -0.0048 -0.0045 -0.0043 -0.0041 ts = 0.00700.008(符合题目要求)
13、 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 15 5 课程设计小结 课程设计对学生而言是其对所学课程内容掌握情况的一次自我验证，从而有着极其重 要的意义。通过课程设计能提高学生对所学知识的综合应用能力，能全面检查并掌握所学 内容。 伴随着课设说明书的完成为期两周的自动控制原理课程设计圆满完成。俗话说“功夫 不负有心人，铁杵也能磨成绣花针” ，通过自己的努力，我也在今天完成了，看着老师仔 细的验收，并成功的完成任务，有种如释重负的感觉，同时，看到成功的运用所学知识独 立完成课设要求，心中更多的是一种成就感。 当然，通过这次实践我也受益匪浅，从中学到了不少在书本中没有的东西，明白了实 践与理论的结合
14、是极其重要的，以及同学之间互相帮助的重要性，在遇到困难时运用学过 的相关知识和恰当的方法尽力去解决各个难题，通过自己不懈的努力与搭档的配合来完成 这项任务。 当然，在整个课程设计中，我也遇到了许多的难题。例如阶跃响应函数读取错误，刚 开始我还以为是数据问题， 经过仔细检查还是未得到解决， 后来猜想可能是编程本身出错， 经过认真检查后，重新输入数据，matlab 终于得到正确结果。致使问题得到了解决，同时 也松了一口气。 过程是艰辛的，但结果是令人兴奋的，看着自己写的课设说明书，心理觉得非常有成 就感，这几天的努力并没有付诸东流。虽然课设已经告一段落，但是我们学习的道路还很 长。此次课设让我明白
15、不论是在做实验还是在今后的学习中，都应该有一种坚定不移不达 目的不罢休的信念，只有这样才能达到自己的最终目标！ 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 16 6 参考文献 1 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计. 北京：清华大学出版社，2006 2 胡寿松. 自动控制原理(第四版). 北京：科学出版社，2001 3 李道根. 自动控制原理. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007 4 吴晓燕，张双选. MATLAB 在自动控制中的应用. 西安：电子科技出版社，2006 5 王万良.自动控制原理，北京：高等教育出版社，2008 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 17 本科生课程设计成绩评定表
16、本科生课程设计成绩评定表 姓姓 名名 张志强 性性 别别 男 专业、班级专业、班级 电气 0801 班 课程设计题目：课程设计题目： 飞行器控制系统设计飞行器控制系统设计 课程设计答辩或质疑记录课程设计答辩或质疑记录: 1、inf 的意思？ 答：表示无穷大！ 2、在“c=dcgain(sys)”中“c”表示什么？ 答：表示系统阶跃稳态值，或者也叫终值！ 3、此系统属于几型系统？ 答：由题目知属于“1”型系统！ 成绩评定依据：成绩评定依据： 评评 定定 项项 目目 评 分 成评 分 成 绩绩 1选题合理、目的明确（10 分） 2设计方案正确、具有可行性、创新性（20 分） 3设计结果（20 分） 4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15 分） 5 设计报告的规范化、 参考文献充分 （不少于 5 篇） （10 分） 6答辩（25 分） 总 分 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字指导教师签字： 年年 月月 日日