自控课设完全版.doc

分数：

华南理工大学广州学院

课程设计报告

题 目： 自动控制原理课程设计
课 程： 自动控制原理课程设计
专 业：
班 级：
姓 名：
学 号：

电信学院自动控制原理课程设计
指导老师评价表

院（部）

年级专业班级

学生姓名

学生学号

题 目

一、 指导老师评语

指导老师签名：
2017年10 月
二、 成绩评定（分优秀、良好、中等、及格、不及格五个等次）

第 一 部 分

任
务
书

《自动控制原理》课程设计任务书

一、课题名称 自动控制原理课程设计

二、课程设计目的
课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的理论、实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地消化、巩固、掌握课堂教学内容、开拓思维、培养专业素养、指导学生的实践和动手环节、提高学生全面素质具有很重要的意义。
自动控制原理课程设计目的：
1）利用电阻、电容、电感建立一阶、二阶、三阶数学模型。
2）掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及设计，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。
3) 学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。

三、课程设计任务和要求
1、理论分析：用MATLAB进行系统时域、频域分析，报告要有相应程序和响应曲线、结论。
1）、时域分析：分析系统在典型输入信号（单位阶跃信号、单位斜坡信号、脉冲信号、正弦信号）作用下，系统输出响应；画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。用MATLAB软件进行系统时域分析，报告中要有程序和响应曲线。（参考教材第三章第七节 基于MATLAB的控制系统时域分析）
2）频域分析：画出未校正开环系统的Bode图，分析系统是否稳定
3）、根据设计系统的串联校正装置，使系统达到规定的性能指标
根据给定的性能指标选择合适的校正方式GC(s)对原系统进行校正（必须有校正过程计算过程），使其满足工作要求。
串联校正

利用MATLAB对校正后系统的性能进行分析，与未校正前系统进行比较分析。
2、实物制作和调试
利用面包板、电阻R、电容C、电感L建立一阶、二阶、三阶数学模型，面包板是由于板子上有很多小插孔，专为电子电路的无焊接实验设计制造的。
1） 系统开环传递函数和校正装置传递函数数学模型制作
一阶系统数学模型可以利用RC电路设计。
二阶系统数学模型可以利用RLC或两级RC电路设计。
三阶系统数学模型可以利用一阶、二阶系统串联实现。
2）典型输入信号（单位阶跃信号、单位斜坡信号、脉冲信号、正弦信号）建立
单位阶跃信号、脉冲信号：利用开关和直流稳压电源建立
单位斜坡信号、正弦信号:利用利用RLC电器元件设计或信号发生器（icl8038信号发生模块淘宝网单价20元）参考模拟电子技术相关书籍。
3）调试：以上实物制作完成后进行输出响应曲线检测，可利用示波器或万用表观测
说明：凡是利用到实验室设备的，将试大家实物完成情况统一时间开放实验室。
3、设计报告
1）、理论分析：用MATLAB进行系统时域、频域分析，报告要有相应程序和响应曲线、结论。
2）、实物制作部分：设计报告要写出详细的设计步骤，包括元器件选型计算。
3）、理论分析和实物运行结果对比和分析，误差产生原因分析。
4）、课程设计过程中遇到的问题及解决的方法；写出心得体会与参考文献等。
4、题目及分组
本次课程设计题目共十小题，分组进行设计，每组最多5位同学，每组选其中一题题目完成，各组题目不能相同。当出现选题问题时，由学委协调分配。每组选定一名组长，负责协调组员工作分工。题目见附件1。
5、时间安排
1、每位同学根据完成的题目，完成任务书及设计报告撰写并用A4纸、宋体小四字体打印。封面和指导教师评价表作为第1、2页(格式见后),与课程设计任务书和报告内容一起装订。
2、设计时间安排：2017年9月14日—2017年10月15日，验收及答辩以小组为单位进行，时间待定。验收通过后修改整理打印设计报告，于2017年10月20日前各班集中提交设计报告。
6、经费使用：
每位同学每门课程设计费用20元人民币，每个小组总费用不能超过小组组员人数×20元，选定题目后编制元器件购买清单。
各组将购买清单交由学委，由班级统一采购。费用超出部分组员个人承担。

题三：设单位负反馈系统的开环传递函数为
1、画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定。
2、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。
3、设计系统的串联校正装置，要求校正后的系统满足指标：
（1）相角裕度γ≥30°
（2）幅值裕度h≥10dB。
4、给出校正装置的传递函数。
5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率、相角裕度γ和幅值裕度h。
6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。

第 二 部 分

课
程
设
计
报
告

1、 画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定。
程序：
>>num=4;
>>den=[1 2 0];
>>G=tf(num,den); //求传递函数
>>margin(G)
>>[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G) // margin函数可计算出幅值裕度、相角裕度及对应频率
Gm = //幅值裕度
Inf

Pm = //相角裕度
51.8273

Wcg = //相角穿越频率
Inf

Wcp = //截至频率
1.5723

未较正系统的Bode图：

在图中可看出Lg（ω）>0的范围内相频特性没有穿越-180°线，较正前的相角裕度为51.8273，校正前的幅值裕度为inf，所以系统稳定。

对数判据是用穿越次数来判别系统的稳定性的。
利用伯德图进行稳定性判定的判据是：幅值裕度GM>0且相角PM裕度>0
从伯德图不能得知绝对稳定性，只能得知相当稳定性（例如PM，GM）。

2、 画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。
程序：
>>num=4； //num为系统传递函数分子多项式系数
>>den=[1 2 0]； //den为系统传递函数分母多项式系数
>>G=tf（num，den）； //开环传递函数模型
>>rlocus（G） //  rlocus绘制开环传递函数的根轨迹

未较正系统的根轨迹图：

由单位负反馈系统的开环传递函数 可知，系统的临界稳定点K=4。由根轨迹图可知：此时系统的闭环稳定性很好，无论k怎么变，不会引起系统不稳定。
要求系统稳定，闭环极点都必须在s左半平面。（s=0,-2）

3、设计系统的串联校正装置，要求校正后的系统满足指标：
（1）相角裕度γ≥30°
（2）幅值裕度h≥10dB。

该系统采取串联较正装置，滞后较正网络如下：

采取滞后较正。
ωc=1 rad/s y=60°//ωc=1 rad/s时相角裕量满足
对数幅值为5 page249 例6-2

4、 给出校正装置的传递函数

Gc（s）=（1+10s）/(1+16.7s)

5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率、相角裕度γ和幅值裕度h。

较正前的bode图：margin（G）

较正后的bode图：

较正装置的bode图：

校正前的根轨迹图：rlocus（G）

较正后的根轨迹图：

较正装置的根轨迹图：

较正后系统为：G(s)=（40s+4）/（16.7s³+34.4s²+2s）

校正后系统的穿越频率、相角裕度γ和幅值裕度h：

程序：
>> num=[40 4]; //分子系数
>> den=[16.7 34.4 2 0]; //分母系数
>> G=tf(num,den); //传递函数
>> margin(G) //
>>[Gm，Pm，Wcg，Wcp]=margin（G） //计算出幅值裕度、相角裕度及对应频率
Gm = //幅值裕度
Inf

Pm = //相角裕度
59.9010

Wcg = // 截至频率
Inf

Wcp = //穿越频率
1.0609

Wcp为穿越频率，Pm为相角裕度，Gm为幅值裕度。所以校正后系统的穿越频率为1.0609、相角裕度γ=59.9°，,幅值裕度h=Inf
6、 分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析

系统较正前的开环系统的奈奎斯特图：nyquist(G)

系统校正后的开环系统的奈奎斯特图：

由图可得，奈氏曲线不能将（-1，j0）点包围，故系统是稳定的。

7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）
1.超前校正的目的是改善系统的动态性能,实现在系统静态性能不受损的前提下,提高系统的动态性能.通过加入超前校正环节,利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度,改变系统的开环频率特性.一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点.
2.滞后校正通过加入滞后校正环节,使系统的开环增益有较大幅度增加,同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态.它利用滞后校正环节的低通滤波特性,在不影响校正后系统低频特性的情况下,使校正后系统中高频段增益降低,从而使其穿越频率前移,达到增加系统相位裕度的目的.

8、总结
通过本次设计，巩固了课堂上所学到的知识，熟练的掌握了控制系统稳定性、稳态性能、动态性能的各种分析方法，加深了对控制原理有关知识的理解和应用。
基本掌握了MATLAB软件的有关功能和使用方法。学会使用MATLAB软件进行系统性能分析，了解了MATLAB几个工具箱的使用方法，并能应用来解决一些问题。通过本次课程设计，了解了有关课程设计的相关内容，锻炼了运用所学知识解决实际问题的能力。使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
参考文献
[1] 刘丁.自动控制原理(第2版). 北京.机械工业出版社，2016.5
[2] 曹戈.MATLAB教程及实训(第2版). 北京.机械工业出版社，2013.8