哈工大 控制科学与工程系 《控制系统的设计》论文.docx

Harbin Institute of Technology课程设计论文课程名称： 自动控制原理 设计题目： 控制系统的设计 院 系：航天学院控制工程与科学系班 级： 1104105 设 计 者：指导教师： 马明达 设计时间： 2014.2-2014.3 哈尔滨工业大学目录1. 对系统指标要求的分析12. 系统固有环节的原有参数1. simulink框图12. Bode图23. 根轨迹曲线23. 进行校正21.串联校正1. 进行迟后校正的手动计算32. 进行迟后校正后的系统参数43. 进行超前校正的手动计算64. 迟后、超前校正后的系统参数72. 反馈校正1. 进行反馈校正的手动计算92. 进行反馈校正后的系统参数104. 校正装置电路图1. 校正装置参数的手动计算122. 串联校正电路151. 迟后校正152. 超前校正153. 比例放大163. 反馈校正电路165. 设计结论176. 心得体会171.对系统指标要求的分析设计指标中要求：“1型系统，开环放大倍数，超调量，过渡过程时间。”利用高阶系统开环频率特性和动态性能指标经验公式：在相角裕度在范围内时有：计算可知，若要满足超调量的要求，则计算出相角裕度，向上取为，结合过渡过程时间的要求可以求得剪切频率的范围。总而言之，题目中的超调量和过渡过程时间的要求，转化为了相角裕度和剪切频率的范围要求，以便于后续的校正设计。系统固有环节的原有参数simulink框图2.Bode图可以看出此时固有环节的相角裕度为-43deg，而剪切频率为。根轨迹曲线3.进行校正1.串联校正由于固有环节相角裕度偏小，剪切频率偏大，故首先考虑使用迟后校正，牺牲一部分剪切频率以增大相角裕度。画出固有环节的Bode图，在曲线上找到相角为时的频率作为剪切频率，如图可见，考虑上相角频率的余量后，仅仅使用迟后校正达到所需的相角裕度时，剪切频率仅仅为4左右，远远小于要求的剪切频率。故考虑迟后、超前校正同时使用。确定总体校正思路为：先使用迟后校正，使得相角裕度在左右，再使用超前校正使得剪切频率也满足条件。由于超前校正同时增大相角裕度和剪切频率，故做超前校正时仅仅需考虑适当的使得剪切频率满足要求即可。进行迟后校正的手动计算首先考虑使得开环增益满足要求，即，型别已经满足为1型系统。再考虑增加至，余量取，在固有环节Bode图中找到的频率作为剪切频率，如下图：读出剪切频率为8.4，对应的幅值为25dB左右。根据公式有：，解得。取，得到，进而计算出。得出迟后校正环节的传递函数为：。2.进行迟后校正后的系统参数1.simulink框图2.Bode图根轨迹图阶跃响应曲线其他曲线1.Nyquist图2.Nichols图3.进行超前校正的手动计算进行过迟后校正之后，相角裕度达到了左右，基本满足了要求，然而剪切频率只有8.53，故尝试使用超前校正使得剪切频率增加到20左右。在迟后校正过后的固有环节找到频率为20时的幅值大小，并选择该点为新的剪切频率。应用公式如下可以求得的大小。，解得，解得。从而解得，，得到超前校正环节：4.迟后、超前校正后的系统参数1.simulink框图2.Bode图3.根轨迹图4.阶跃响应曲线5.其他曲线1.Nyquist图2.Nichols图可以在校正之后的Bode图中看出相角裕度和剪切频率均满足了系统的要求，校正系统设计成功。2.反馈校正1.进行反馈校正的手动计算1.从满足开环放大倍数的系统固有环节的Bode图中不难发现，固有环节的系统共有两个转折点，分别位于10、40，若采取“不希望折点法”将这两个折点移后，由于开环放大倍数的硬性要求，若使得最低频段的20dB/dec的线段过0dB线，则剪切频率将达到500以上，并且所需的比例放大环节参数过大，显然是不能实现的。所以我们考虑使用反馈补偿网络的校正方法。2.设系统环节方框图形式如下（框图内数据仅代表形式、不是实际数据）：设是反馈补偿网络，若有，则有校正后的开环传递函数：既有：在同一张半对数坐标纸上画出固有环节和理想的校正后的开环传递函数渐进Bode图，通过作图，近似的在图中读出各个转折频率以及坐标轴交点，利用转折频率结合最低频段斜率求出大致的传递函数，利用Matlab加以仿真，如若满足条件，则设计成功。取16rad/s为剪切频率，-20dB/dec的斜率穿过0dB线，从手工做图曲线中可以大概看出：交固有环节最高频段的-60dB/dec的直线于60rad/s左右，取60rad/s;低频段侧以4rad/s左右(取4rad/s)为转折频率、以-40dB/dec交固有环节最低频段于0.4rad/s左右处，取0.4rad/s。（曲线见手绘）利用上述公式，在图上做出-的折线，