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30（2）幅值裕度h10dB。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 InfPm =/相角裕度 51.8273Wcg =/相角穿越频率 InfWcp =/截至频率1.5723未较正系统的Bode图：在图中可看出Lg（）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GM0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30（2）幅值裕度h10dB。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。c=1 rad/s y=60/c=1 rad/s时相角裕量满足对数幅值为5 page249 例6-24、 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）/（16.7s+34.4s+2s）校正后系统的穿越频率、相角裕度和幅值裕度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 InfPm =/相角裕度 59.9010Wcg =/ 截至频率 InfWcp =/穿越频率 1.0609Wcp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=59.9，,幅值裕度h=Inf6、 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，2016.52 曹戈.MATLAB教程及实训(第2版). 北京.机械工业出版社，2013.8