火星漫游车转向控制系统稳定性分析及校正论文.doc

课程设计名称： 自动控制原理课程设计

题 目： 火星漫游车转向系统
稳定性分析及校正

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 
指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
注 意 事 项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日

课程设计任务书
一、 设计题目
火星漫游车转向控制系统稳定性分析及校正
二、设计任务
以1997年7月4日年美国国家宇航局发射的以太阳能为动力“索杰纳号”火星探测器转向系统为例，设计火星漫游车的转向控制系统并未校正前系统稳定性进行分析及对系统校正。以达到如下稳定要求：
1.静态速度稳定误差；
2.相角裕量；
校正后分析在单位阶跃信号作用下，系统的响应曲线。
三、 设计计划
自动控制原理课程设计共1周。
第1天：查资料；
第2天：方案分析比较，确定设计方案；
第3天：分析系统稳定性；
第4天：校正设计；
第5天：编写整理设计说明书。
四、 设计要求
1.写出设计说明书。
2.同组同学的设计不能雷同。
3.必要过程需用仿真软件MATLAB进行仿真。

指 导 教师：孙滨
教研室主任：侯利民
时 间：2012年12月27日
辽宁工程技术大学
课 程 设 计 成 绩 评 定 表

学期
2012/2013第一学期
姓名
冯旭
专 业
电力系统及其自动化
班级
电力10-1班
课程名称
自动控制原理
设计题目
火星漫游车转向系统稳定性分析及校正

评

语

成
绩

指导教师

时间
年 月 日

备 注

摘要
本设计依据经典自动控制原理，首先在理论上从时域和频域两个方面分析了火星漫游车转向控制系统的稳定性，并借助仿真软件MATLAB（矩阵实验室）绘制了其频域特性图像。最后使用校正原理中串联超前校正法和三频段概念对该系统在频域上进行了串联超前校正，使其达到一定的稳定要求。在分析的过程及校正的过程中大量使用了仿真软件MATLAB（矩阵实验室），其绘制出来的曲线精准、清晰，保证了结果的可靠性和准确性。
关键词：火星漫游车；自动控制原理；串联综合校正；MATLAB
Abstract
This design based on the classical theory of automatic control, first in theory in time domain and frequency domain analysis of two aspects of the Mars rover steering control system stability, and with the aid of simulation software MATLAB (matrix laboratory) draw the frequency domain characteristics image. Finally use correction principle series lead correction method and three frequency band concept of the system in the frequency domain on the series lead correction, enables it to achieve a certain stability requirements. In the process of analysis and correction of the process of using the simulation software MATLAB (matrix laboratory), its painted curve precise and clear, to ensure the reliability and accuracy of the results.
Key words: Mars rover; automatic control theory; the series synthetic correction; MATLAB

目录
0引言 1
1概述 1
2数学模型 1
3系统稳定性分析及校正 2
3.1动力传动系统的稳定性分析 2
3.2系统的校正 4
3.3 校正后系统的校验 5
3.4 校正后系统的时域分析 6
4 心得体会 7
5 参考文献 7

辽宁工程技术大学自动控制原理课程设计
0引言
人类对地球的近邻—火星一直非常感兴趣,。随着航天技术的快速发展，（前）苏联和美国都开始发射火星探测器。1962年11月（前）苏联向火星发射第一个火星探测器“火星1号”。此后的三十多年，人类共向火星发射了30多个探测器。这些探测器给人类带来很多信息，尤其是基本否行了火星上有生物的可能。但是还是有人认为，火星上也许只有局部地区有少量低等生物，固定的探测器无法找到；同时人类也想进一步了解火星更多地区的情况。于是，火星漫游车诞生了。
1概述
本设计主要目的是讨论火星漫游车转向系统的稳定性分析。
如图1-1（a）所示，以1997年7月4日年美国国家宇航局发射的以太阳能为动力“索杰纳号”火星探测器转向系统为例，其转向控制系统的原理图为图1-1（b）。

（a） “索杰纳”号

（b） “索杰纳”号转向控制系统原理图
图1-1 火星漫游车“索杰纳”号及其转向控制系统原理图
2数学模型
根据原理图得到“索杰纳”号转向控制系统的方框图为图2-1所示。其开环传递函数为
(2-1)
其闭环传递函数为

整理得
(2-2)

图2-1 “索杰纳”号转向控制系统方框图
3系统稳定性分析及校正
3.1动力传动系统的稳定性分析
当系统本身不考虑控制器，即时
动力传动系统开环传递函数为
（3-1）
现为其绘制根轨迹，以分析其稳定性。绘制过程如下：
（1） 根轨迹渐进线
与实轴夹角为
（3-2）
当时，；当时，；当时，。
与实轴交点为
（3-3）
由传递函数可得，代入公式3-3中，得到。
（2） 汇合点
由式3-1可得动力传动系统的特征根方程为
（3-4）
整理，得
（3-5）
等式两边分别求导得到
(3-6)
令，解得，（舍）。
因此该汇合点坐标为（-0.9,0）。
（3） 分离角
分离角的公式为
(3-7)
当时，；当时，。
（4） 与虚轴交点
将代入式3-1中，得到
(3-8)
令虚部为0，解出。
综上所述，动力传动系统的手绘根轨迹如图3-1所示，为了使其精准，现用MATLAB仿真软件进行仿真，其仿真后根轨迹如图3-2（程序语言详见附录1）。

图3-1 手绘动力传动系统根轨迹 图3-2 根轨迹仿真图
由仿真得，分离点处K=4.067；与虚轴交点处K=69.0269。
当0<K<4.067时，动力传动系统处于过阻尼状态；
当K=4.0679时，动力传动系统处于临界阻尼状态；
当4.0679<K<69.0269时，动力传动系统处于欠阻尼状态，即稳定振荡状态；
当K=69.0269时，动力传动系统处于零阻尼状态；
当K>69.0626时，动力传动系统处于不稳定状态，即振荡发散状态。
3.2系统的校正
（1）根据系统的速度稳态误差要求，确定开环增益K

（2） 用MATLAB仿真软件绘制未校正前的伯德图，并计算未校正前系统的幅值裕度，相角裕度及其对应的截止频率，穿越频率（程序语言详见附录2）
如图3-3所示，未校正前系统的频率特性为：
幅值裕度；相角裕度；
截止频率；穿越频率。

图3-3 MATLAB下未校正系统的伯德图
（3） 根据校正相角裕度的要求，计算系统需要补充的角度

为了发挥超前网络的最大补偿作用使最大滞后相角等于系统需要补充的角度，即

通过MATLAB软件解得

（4） 求解T
令代入下式中，解得T

（5） 校正装置的传递函数为

3.3 校正后系统的校验
系统校正后的开环传递函数为

通过MATLAB仿真软件绘制其伯德图如图3-4所示（程序语言详见附录3），得到

满足设计要求。

图3-5 校正后系统伯德图
3.4 校正后系统的时域分析
现用MATLAB中的SIMULINK模块，对校正后系统进行时域分析，其仿真电路如图3-6。在单位阶跃信号的作用下，校正后系统的响应如图2-7所示。

图3-6 MATLAB下系统单位阶跃响应电路图

图3-7 校正后系统单位阶跃响应曲线
4 心得体会
历时一周的自动控制原理的课程设计结束了，课程设计的过程中我锻炼了积极思考，勇于提问，认真检查，踏实肯干的，严谨求实，决不气馁的科学精神。
在课程设计过程中，我在校正后系统开环传递函数的设计上出现了一些问题，有很多次通过仿真软件MATLAB计算所得的相角裕量小于零，但我没有放弃，从新开始计算校正后的传递函数，一遍又一遍，最后计算出了合理的值。
5 参考文献
[1] 胡寿松.自动控制原理(第五版) .北京：科学出版社.2007.
[2] 张静.MATLAB在控制系统中的应用. 北京：电子工业出版社.2007.
[3] 黄坚主.自动控制原理及其应用. 北京：高等教育出版社.2004.

附录1
G0=tf([]，[1 7 10 0])
rlocus(G0)
Rlocfind(G0)
附录2
G1=tf([0 20],[1 7 10 0])
Margin(G1)
附录3
a=0.31
T=0.2
Gc=tf([a*T 1],[T 1])
G2=Gc*G1
Bode(G,’r’,G1’b--’,Gc,’y--’)
[h,r,wx,wc]=margin(G2)

1. 80196单片机IP研究与实现,TN914.42
2. AT89S52单片机实验系统的开发与应用,TG155.1 F406
3. 基于单片机的LED三维动态信息显示系统,O536 TG174.444
4. 基于单片机的IGBT光伏充电控制器的研究,TV732.1 TV312
5. 基于89C52单片机的印刷品色彩质量检测系统的研究,TP391.41
6. 基于单片机+CPLD体系结构的信标机设计,TU858.3 TN915.62
7. 基于单片机SPCE061A的汽车空调控制系统,TM774 TM621.3
8. 带有IEEE488接口的通用单片机系统方案设计与研究,TN015
9. 基于VC的单片机软件式开发平台,TG155.1 F406
10. 基于VB的单片机虚拟实验软件的研究与开发,TG155.1 F406
11. 采用单片机的电阻点焊智能控制器开发,TG155.1 F406
12. 基于51系列单片机的PROFIBUS-DP智能从站研究,TG155.1 F406
13. 八位单片机以太网接入研究与实现,TG155.1 F406
14. 基于单片机与Internet的数控机床远程监控系统的研发,R319 TP319
15. 基于单片机和DSP控制的医用输液泵的研究,U467.11
16. 基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计与仿真,F426.22 TP311.52
17. 基于8位单片机的摩托车发动机电控单元软硬件的开发,TB61
18. 基于430单片机的变压器监控终端的研究,TG155.1 F406
19. 逆变点焊单片机控制系统研究,TG131 TG113.14
20. 单片机控制数字变量柱塞泵的研究,F426.22 TP311.52
21. 基于单片机控制的高通量药物筛选及检测系统开发,R730.55 R734.2
22. MCS8051以及DS80C320单片机软核的设计,TP391
23. 基于AVR单片机的应用设计实践,TN015
24. LPC2210单片机的KGW脉冲固体激光掩膜加工控制系统研究,TG131 TG113.14
25. 基于单片机控制的交流伺服系统的多梳栉经编机的研究,TN916 TP317
26. 80C196单片机在铁路客车发电机控制系统中的应用研究,TP368.1 TP393
27. 基于单片机的工程车辆3参数自动换档技术研究,F426.22 TP311.52
28. 削方制材机摇尺机构单片机控制装置的研制,TH213.6
29. 8XC196单片机集成开发环境的研制,F426.22 TP311.52
30. 基于单片机与PC的光电靶测试系统研究,O536 TG174.444
31. 手机和单片机控制系统的理论与应用研究,TG155.1 F406
32. 基于单片机数控实验教学绘图仪研究,TN916 TP317
33. 基于单片机控制的脉冲电化学齿轮修形研究,R319 TP319
34. 基于AT89S52单片机的三相电度表研究,TP274.2
35. 基于MSP430单片机的嵌入式网络终端,TH812 TP368.1
36. 基于MSP430单片机地下车库通风控制系统设计,TP273.2 TG333.26
37. 基于PIC单片机的血压测量计设计,TP311.5 TM910.6
38. 基于单片机的标记打印机的研究与开发,TP277 TG156.82
39. 基于C8051F单片机和CANbus的航空三轴伺服转台控制系统的设计与研究,TP368.1 V217.2
40. 基于单片机的全位置自动焊接控制系统的研究
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