滞后超前校正控制器设计详解.doc

《计算机控制》课程设计报告 题目: 姓名: 学号: 2013年7月日 《计算机控制》课程设计任务书 学 号 100230105 班 级 1002301 学 生 胡志峰 指导教师 任倩 题 目 滞后-超前校正控制器设计 设计时间 2013年 7 月 5 日 至 2013 年 7 月 12 日 共 1 周 设计要求 设计任务： 设单位反馈系统的开环传递函数为 ，采用模拟设计法设计滞后-超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 当 时，稳态误差不大于1/126； (2) 开环系统截止频率 rad/s； (3) 相位裕度 。 方案设计： 完成控制系统的分析、设计； 选择元器件，完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图； 编程实现单片机上的控制算法。 报告内容： 控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程； 元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图； 软件流程图，以及含有详细注释的源程序； 设计工作总结及心得体会； 列出所查阅的参考资料。 指导教师签字： 系（教研室）主任签字： 2013年 7 月 5 日 一、实验目的 完成滞后 - 超前校正控制器设计 二、实验要求 熟练掌握 MATLAB设计仿真滞后超前校正控制器Protel设计控制器硬件电路图，以及单片机C或汇编语言编程 三、设计任务 设单位反馈系统的开环传递函数为 ，采用模拟设计法设计滞后-超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 当 时，稳态误差不大于1/126；(2) 开环系统截止频率 rad/s；(3) 相位裕度 。 四、 实验具体步骤 4.1 相位滞后超前校正控制器的连续设计 校正方案主要有串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。确定校正装置的结构和参数的方法主要有两类：分析法和综合法。分析法是针对被校正系统的性能和给定的性能指标，首先选择合适的校正环节的结构，然后用校正方法确定校正环节的参数。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正这三种类型。 超前校正的作用在于提高系统的相对稳定性和响应的快速性滞后校正的主要作用是在不影响系统暂态性能的前提下提高低频段的增益，改善系统的稳态特性，而滞后超前校正环节则可以同时改善系统的暂态特性和稳态特性。这种校正的实质是综合利用了滞后和超前校正的各自特点，利用其超前部分改善暂态特性，而利用滞后部分改善稳态特性，两者各司其职，相辅相成。 (1)调整开环增益 K使其满足稳态误差不大于1/126; (1) 按求得的开环增益 K=126 绘制 Bode 图所示： 图4-2 校正前系统阶跃响应图 由图可知：未校正系统的 剪切频率: 相角裕度： 幅值裕度： 相位裕度： 以上计算以及仿真结果可知，系统不稳定，需要进行校正，由于附近频段内的对数幅频渐近线以 -40dB/dec 穿过 0dB 线，只加一个超前校正网络其相角超前量有可能不足以满足相位裕度的要求 ， 可以设想如果让中频段(附近)衰减，再由超前校正发挥作用，则有可能满足指标要求，而中频段衰减正好可以用滞后校正完成。因此决定采用滞后超前校正。 (2) 确定校正后的剪切频率 ： 选取的原则应兼顾快速性和稳定性，过大会增加超前校正的负担，过小又会使频带过窄，影响快速性，结合具体情况 (3) 确定滞后校正部分的参数 ： 根据 ，取 则有 故滞后校正的传递函数为 (2) (4)确定超前校正部分的参数 ： 过点（24.5rad/s,-5.12dB）做+20dB/dec斜线与滞后校正部分交于，与0dB线交于，计算得，，故，故超前部分校正的传递函数 (3) 最后可得滞后超前校正网络的传递函数为 (4) (5)检验性能指标 图4-3校正后系统Bode图 图4-4 校正后系统阶跃响应图 图4-5 校正前后Bode图比较图 由图上可以读出校正后系统的： 剪切频率: 相角裕度: 幅值裕度： 相位裕度： 由上图可知通过滞后-超前校正器的校正系统达到稳定，且各项指标均达到要求。事实上，可以充分的利用MATLAB 软件中的控制系统工具箱来解决控制中的一系列问题，可以大大提高分析和设计控制系统的效率。 本文作者