自动控制原理课程设计报告--典型三阶系统

课程设计报告课程编号j1630102课程名称自动控制原理课程设计学生姓名唐柱宽所在班级自动化1123联系电话[phone]实施地点钟海楼04004起止时间2014.12.08--2014.12.12指导教师徐今强职称副教授一、课程设计的意义通过课程设计，使得我们对课堂所学自动控制原理的基本理论知识加深理解和应用，熟练掌握利用计算机辅助分析的方法，进一步增强学生的分析问题和解决问题的能力。同时学习和掌握典型高阶系统动态性能指标的测试方法；分析典型高阶系统参数对系统动态性能和稳定性的影响；掌握典型系统的电路模拟和数字仿真研究方法。二、课程设计的内容已知典型三阶系统的结构方框图如图1所示：其开环传递函数为)1)(1()(21021STSTSTKKSG，本实验在此开环传递函数基础上做如下实验内容：1．典型三阶系统电路模拟研究；2．典型三阶系统数字仿真研究；3．分析比较电路模拟和数字仿真研究结果。三、课程设计的要求:Step1．根据给出的三阶开环系统传递函数，设计一个由积分环节和惯性环节与组成的三阶闭环系统的模拟电路图；Step2．在输入端加入阶跃信号，其幅值为3V左右，输入、输出端分别接双踪示波器两个输入通道；Step3．单方向调节电位器（即改变开环增益），使系统的输出响应分别为稳定状态、临界稳定状态和不稳定状态，记录对应的电位器的电阻值，同时观察并记录输出波形，了解参数变化对系统稳定性的影响；Step4．调节电位器，使系统处于稳定状态，观察示波器读出系统稳定时的输出电压值，读出系统的超调量、调节时间和稳态误差并记录，测量时，输入电压值保持不变；Step5．保持电位器不动（增益不变），改变三环节时间常数T0，T1，T2，观察时间参数改变对系统动静态性能的影响，并记录对应的响应曲线；Step6．调用数字仿真软件Matlab中的Simulink，完成上述典型系统的动静态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较；Step7．分析结果，完成课程设计报告图1典型三阶系统结构方框图图1典型三阶系统的结构方框图四、仿真结果A.电路模拟研究：1、设计的模拟电路及说明该系统开环传递函数为其中T0=10u*100k=1S；T1=1u*100k=0.1S；T2=1u*500k=0.5S；K1=100k/100k=1；K2=500/Rx；即其中，K=500/Rx，Rx的单位为。系统特征方程为，根据劳斯判据得到：当0K12时，系统稳定；当K=12时，系统临界稳定，作等幅振荡；当K12时，系统不稳定。根据K求取Rx，改变Rx即可实现三种类型的实验。画出它们分别对应系统处于稳定、临界稳定和不稳定的三种情况响应曲线。事实上，除了开环增益K对系统的动态性能和稳定性有影响外，系统中任何一个时间常数的变化对系统的稳定性都有影响，对此说明如下：令系统的截止频率为wc，则在该频率时的开环频率特性的相位为：相位裕量为：由此可见，时间常数T1和T2的增大都会使相位裕量减小，改变系统的稳定性。2、模拟电路仿真研究结果(1)K=10，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5(2)K=12，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5(3)K=15，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5(4)K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055(5)K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.15(6)K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.55B．数字仿真研究：(1)K=10，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5仿真图：仿真波形：实验数据：最大超调量调节时间稳态误差0.8523.01S0.005(2)K=12，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5仿真图：仿真波形：实验数据：最大超调量调节时间稳态误差0.729.79S0.002(3)K=15，T0=1，Tl=0.1，T2=0.5仿真图：仿真波形：实验数据：最大超调量调节时间稳态误差0.729.79S0.002(4)K=10，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.055仿真图：仿真波形：实验数据：最大超调量调节时间稳态误差0.8411.56S0.004(5)K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.15仿真图：仿真波形：实验数据：最大超调量调节时间稳态误差0.709.84S0.003(6)K=15，T0=0.55，Tl=0.25，T2=0.55仿真图：仿真波形：实验数据：最大超调量调节时间稳态误差0.709.84S0.003五、电路模拟和数字仿真研究结果分析和比较通过两个软件的仿真，可得到当改变T0、T1、T2时，会改变系统的稳定性，例如在步骤（1）和（3）的仿真图中三个值都改变了，虽然波形大体上很相似，但是超调量和调节时间都已经改变了，当T0、T1、T2都减小时，超调量和调节时间都减小了。在步骤（5）中K=15，这表明了系统已经在离散状态，稳定K、T0、T1,而改变T2时，当T2逐渐增大时，即惯性慢慢增大，离散的形状也会变大。在步骤（6）的时候，是稳定T0、T1、T2而改变K，由图可看出，当0K12时，系统稳定。当K=12时，系统临界稳定，做等幅震荡；当K12时，系统不稳定。六、课程设计总结：本次自控课程设计主要是进行典型三阶系统数字和模拟仿真研究。此次仿真中主要是利用比例环节，积分环节和惯性环节进行三阶系统的设计，再结合一个比例环节进行反馈。通过综合设计，让我对课堂所学自动控制原理的基本理论知识加深理解和应用，学会了利用计算机辅助分析的方法，进一步增强自己的分析问题和解决问题的能力。同时，也掌握典型高阶系统动态性能指标的测试方法；分析典型高阶系统参数对系统动态性能和稳定性的影响；知道了典型系统的电路模拟和数字仿真研究方法。当然，由于时间问题，没有进行实物仿真，只是用软件进行了模数模拟，不过整体效果达到了此次实验的仿真要求，完成了本次综合试验的要求。通过这次自动控制原理课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这个方案使用了Matlab和Proteus软件，使我们有掌握了一个软件的应用。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个原理的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多原理的功能。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末的课程设计对我们的作用是非常大的。我想说，设计确实有些困难，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我认为无论干什么，只要认真去做，一定会有好结果的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。虽然不是第一次做课程设计了，但是设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。