自动控制原理课程设计

扬州大学水利与能源动力工程学院课程实习报告指导老师签名：2016年12月27日课程名称：自动控制原理及专业软件课程实习题目名称：三阶系统分析与校正年级专业及班级：建电1402姓名：王杰学号：141504230指导教师：许慧评定成绩：教师评语：扬州大学能源与动力工程学院实习报告1一、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基础。二、课程实习任务某系统开环传递函数G(s)=K/s(0.1s+1）（0.2s+1）分析系统是否满足性能指标：（1)系统响应斜坡信号r(t)=t,稳态误差小于等于0.01；（2）相角裕度y=40度；如不满足，试为其设计一个pid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计算值比较。（3）选定合适的校正方案（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。扬州大学能源与动力工程学院实习报告2（4）绘画已校正系统的bode图，与未校正系统的bode图比较，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）自动控制原理及专业软件课程实习目录摘要.......................第一章利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图第二章绘画根轨迹.................第三章作出单位阶跃输入下的系统响应......第四章绘出系统开环传函的bode图.........第五章求此系统的阶跃响应曲线..........第六章绘画模拟电路.................致谢.........................参考文献.....................扬州大学能源与动力工程学院实习报告3附录.........................第一章利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图（1）由稳态误差小于等于0.01即1/k=0.01解得k=100所以选择k=101未校正系统开环和闭环零极点图（K=110）：clearclcnum=[101];den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));G=tf(num,den);Gf=feedback(G,1,-1);figure(1)pzmap(G);title('未校正系统开环零极点图')xlabel('实轴x')ylabel('虚轴j')figure(2)pzmap(Gf);title('未校正系统闭环零极点图')xlabel('实轴x')ylabel（'虚轴j')扬州大学能源与动力工程学院实习报告4第二章绘画根轨迹（2）绘画根轨迹，根据根轨迹分析未校正系统稳定性和快速性①系统稳定性分析0.02s^3+0.3s^2+s+k分析：闭环传递函数的特征方程：D（s）=0.02s^3+0.3s^2+s+k列出劳斯表：扬州大学能源与动力工程学院实习报告5S^30.021S^20.3kS^10.3-0.02k)/1.2Sk由劳斯稳定判据有：k0且0.3-0.02k0，即0k15时系统处于稳定状态；又K=11030，所以系统不稳定②系统快速性分析系统的快速性要好，则闭环极点均应远离虚轴y，以便使阶跃响应中的每个分量都衰减得更快。由图1可知，当系统根轨迹在s左半平面时，闭环极点距s平面上虚轴越近，阻尼角增加，ξ变小，振荡程度加剧，超调量变大，若特征根进一步靠近虚轴，衰减振荡过程变得很缓慢，系统的快速性减小。第三章作出单位阶跃输入下的系统响应1.未校正系统阶跃响应图clearclcnum=[101];den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));G=tf(num,den);Gf=feedback(G,1,-1);sys=feedback(Gf,1);t=0:0.01:5;step(sys,t);xlabel('t')ylabel('Gf')扬州大学能源与动力工程学院实习报告6title('未校正系统阶跃响应图')图1未校正系统的阶跃响应由图1可知，系统在单位阶跃输入下，振荡程度加剧，超调量变大，系统的动态性能不佳，不稳定。第五章求此系统的阶跃响应曲线2.已校正系统阶跃响应图clearclcnum=[101];den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));Gs=tf(num,den);扬州大学能源与动力工程学院实习报告7num1=[3.71];den1=[115.741];Gs1=tf(num1,den1);Gs2=series(Gs,Gs1);sys=feedback(Gs2,1);t=0:0.01:5;step(sys,t);xlabel('t')ylabel('Gf')title('已校正系统阶跃响应图')分析系统阶跃响应的性能指标：Tp=1s；Ts=2.8s超调量=36.5%且采用校正装置后系统稳定，系统的阻尼程度适中。第四章绘出系统开环传函的bode图（4）绘出系统开环传函的bode图clear扬州大学能源与动力工程学院实习报告8clcnum=[101];den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));Gs=tf(num,den);bode(Gs);margin(Gs);title('系统开环传函的bode图')由图可得:校正后Gm=17.3dB;Pm=-41.9度；由此可知Pm=-41.9度40度系统不稳定。需加入校正环节改善系统。（5）选定校正方案采用串联滞后校正系统由r'=r-6度，r为要求的40有r'=46度1.r'（wc）=46度得wc=2.7rad/s2.L(wc)=29.920lgb+l(wc)=0得b=0.0324.1/bT=0.1wc得T=115.74s校正装置的传递函数G’=（3.7s+1）/(115.74s+1)(6）判断校正装置clear扬州大学能源与动力工程学院实习报告9clcnum=[101];den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));Gs=tf(num,den);num1=[3.71];den1=[115.741];Gs1=tf(num1,den1);Gs2=series(Gs,Gs1);bode(Gs,'b-',Gs2,'g-');r'=40.5度40度，符合要求。第五章求此系统的阶跃响应曲线3.已校正系统阶跃响应图clearclcnum=[101];den=conv([10],conv([0.11],[0.21]));Gs=tf(num,den);num1=[3.71];den1=[115.741];Gs1=tf(num1,den1);Gs2=series(Gs,Gs1);扬州大学能源与动力工程学院实习报告10sys=feedback(Gs2,1);t=0:0.01:5;step(sys,t);xlabel('t')ylabel('Gf')title('已校正系统阶跃响应图')分析系统阶跃响应的性能指标：Tp=1s；Ts=2.8s超调量=36.5%且采用校正装置后系统稳定，系统的阻尼程度适中。第六章绘画模拟电路用SIMULINK进行仿真1.未校正系统扬州大学能源与动力工程学院实习报告112.已校正系统扬州大学能源与动力工程学院实习报告123.分析串联滞后校正系统效果明显，使系统稳定。5.致谢每一个课程设计都是一个挑战！首先要由衷感谢我们的指导老师许慧老师，你指导了我顺利的独立地完成了这一次的课程设计。期间，让我学到了许多在实践中需注意的问题。包括如何根据课题制定方案，怎样思考问题，然后如何去收集整理资料，之后怎样组织材料撰写论文等等，这为我们即将面临的毕业设计等各类课题的设计打下了一定的基础。甚至在以后的工作和学习生活中也会受益。虽然我学了MATLAB，不少课本上也有提到过MATLAB，但是我还是不怎么熟练，扬州大学能源与动力工程学院实习报告13通过这次自动控制原理课设让我更好地学会了如何去使用这个软件。自动控制原理的知识在课堂上掌握的也不是很好，所以这次课程设计对于我来说真是难度不小啊。在很多人眼中为期一周的课程设计或许是一种煎熬，这是可以理解的，在这一周当中，我们不仅要完成这个课程设计，而且还要学习其他专业课。对于MATLAB的学习，我们先从以前教材中翻看相关的内容，因为这些书上讲的比较精简易懂，看完之后便对MATLAB有了更深地了解和懂得了一些简单编程，接下来我再去图书馆借相关的书籍进行借鉴和参考，当要用什么功能时，就在书上翻看相应部分的内容，这样MATLAB就应用起来了。对于自动控制原理的相关知识，我重新翻看好几遍教材，特别是第六章作了详细地了解，对校正有了较好的认识之后才开始进行单位负反馈系统设计。校正设计时候，在试取值时需要对校正原理有较好的理解才能取出合适的参数，期间我也不是一次就成功，选了几次才选出比较合适的参数。这种不断尝试的经历让我们养成一种不断探索的科学研究精神，我想对于将来想从事技术行业的学生来说这是很重要的。每一次课程设计都会学到不少东西，这次当然也不例外。不但对自动控制原理的知识巩固了，也加强了MATLAB这个强大软件使用的学习，这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在自己和老师同学相互协助下，终于迎刃而解了。6.参考文献1、自动控制原理（第五版）胡寿松科学出版社2、自动控制原理实验教程（硬件模拟与matlab仿真）熊晓君3、MATLAB语言与控制系统仿真孙亮北京工业大学出版社4、MATLAB程序设计教程刘卫国中国水利水电出版社5、MATLAB入门与提高龚剑清华大学出版社