《自动控制原理》课程设计-直流电机PI控制器设计与稳态性能分析汇.doc

课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 自动化0804 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流电机PI控制器设计与稳态性能分析 初始条件： 一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y为电机转速，为电枢电压，W为负载转矩。令电枢电压由PI控制律求取，PI表达式为：，其中e=r-y。 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） 写出以va和W为输入的直流电机系统微分方程； 试求kP和kI的值，使闭环系统的特征方程的根包括； 计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃扰动输入、单位斜坡扰动输入时系统的稳态误差； 用Matlab验证你的上述答案，并给出系统响应曲线； 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的过程，附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。 摘要 自动控制技术已经广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设的各个领域。自动控制技术以控制理论为基础，以计算机为手段，解决了一系列高科技难题，诸如宇宙航行、航空航天工程、导弹制导与导弹防御体系等领域的一些高精度控制问题等，在科学技术现代化的发展与创新过程中正发挥着越来越重要的作用。计算机技术和信息技术的迅速发展，加快了社会信息化的进程，拓宽了自动化专业的发展空间。 针对以上方面，我们这次的课程设计主要是针对系统误差进行分析，深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，并增强解决实际问题的能力。增强理论分析、设计计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料的能力，同时加强我们的计算机的应用能力。掌握用MATLAB软件来对原理图进行仿真进行辅助分析。 此次课程设计要求综合运用所学自控原理理论知识，是自动控制原理和MATLAB软件的综合运用，需要灵活运用所学知识，根据设计要求，来达到分析原理、参数计算等目的。 目录 1 设计意义及要求 1 1.1 设计意义 1 1.2 设计要求 1 2 设计原理 2 2.1 PI校正控制原理 2 2.2 叠加原理 2 3 主要任务 4 3.1 写控制系统微分方程 4 3.2 求Kp和KI的值 4 3.3 计算稳态误差 5 3.4 验证程序和图形 6 4 体会和总结 15 5参考文献 16 1 设计意义及要求 1.1 设计意义 自动控制原理课程是一门理论性和工程实践性均较强的专业基础课，它在航天、农业、交通、电气、机械制造等工程学科中都有非常广泛、重要的应用。学校安排了这次的自动控制课程设计，目的在与让学生综合运用所学的知识，培养学生对控制系统的分析设计能力和创新能力，更好地锻炼学生的创新思维和设计能力。 1.2 设计要求 一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y为电机转速，为电枢电压，W为负载转矩。令电枢电压由PI控制定律求取，PI表达式为：，其中e=r-y。 图 1 直流电机控制系统的方框图 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） 写出以va和W为输入的直流电机系统微分方程； 试求kP和kI的值，使闭环系统的特征方程的根包括； 计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃扰动输入、单位斜坡扰动输入时系统的稳态误差； 用Matlab验证上述答案，并给出系统响应曲线； 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的过程，附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。 2 设计原理 2.1 PI校正控制原理 比例—积分控制规律的控制器，称PI控制器（如图2所示），其输出m（t） 　　　　　　　　　 式中为可调比例系数；为可调积分时间常数。 R (S) E(S) M(S) C(S) 图 2 PI控制器 在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于S左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，可以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实数零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。在控制工程实践中，PI控制器主要用来改善