(2)转子绕线机控制系统的校正设计仿真任务书.doc

指导教师评定成绩：

审定成绩：

自动控制原理
课程设计任务书
设计题目：转子绕线机控制系统的校正设计仿真

单位（二级学院）： 自 动 化 学 院
专 业 ： 电气工程与自动化
姓 名 ： 周密
学 号 ： 2012212660
指 导 教 师 ： 李鹏华

设计时间：2014年10月
重庆邮电大学自动化学院制

目 录
一、设计题目
1.1 设计题目及要求
1.2 设计任务
二、设计报告正文
2.1摘要
2.2设计步骤
1.分析系统的工作原理，进行系统总体设计。//白松其、刘有为
2．构成开环系统，并分析器动态响应。//李盼盼
3．测出各环节的放大倍数及其时间常数。//吴杰、庄元
4．对系统进行扰动分析。//邓振扬
5．比较开环时和闭环时的动态响应。//周密 、朱俊
6. 采用某种校正方式实现系统的稳定控制。//王翰磊
7．对本课程设计提出新设想和新建议。//罗俊豪

三、设计总结

一、设计题目
题目：转子绕线机控制系统的校正设计仿真

一．课程设计应达到的目的
1、通过控制系统闭环仿真熟悉课程设计的基本流程；
2、掌握控制系统的数学建模；
3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析；
4、掌握频率法校正或根轨迹法校正；
5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作；
6、学会用MATLAB进行基本仿真。

二．课程设计题目及要求
（一）设计题目
转子绕线机控制系统的开环传递函数:

要求达到性能指标：系统的静态速度误差系数，。
（二）设计要求
1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。//白松其、刘有为
2．构成开环系统，并分析器动态响应。//李盼盼
3．测出各环节的放大倍数及其时间常数。//吴杰、庄元
4．对系统进行扰动分析。//邓振扬
5．比较开环时和闭环时的动态响应。//周密 、朱俊
6. 采用某种校正方式实现系统的稳定控制。//王翰磊
7．对本课程设计提出新设想和新建议。//罗俊豪

三．课程设计任务
（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解控制对象的工作原理。 
（2）总体方案的构思 
根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有 的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。 
（3）总体方案的确定 
可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。
（4）系统实现
用MATLAB进行仿真，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据。

四．主要参考文献
1、薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社,2000.
2、飞思科技产品研发中心.MATLAB 7辅助控制系统设计与仿真.北京:电子工业出版社,2005.
3、胡寿松.自动控制原理.4版.北京:科学技术出版社,2001.
4、白继平，徐德辉. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，2004（4）：77-80.
5、徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度PID与预测控制[J].武汉理工大学学报.2004.8(28):554-557.

二、设计报告正文
摘要：利用MATLAB软件的Simulink仿真平台,对转子绕线机控制系统进行数学建模和系统仿真,并结合Bode图进行分析研究,确定调节系统的控制器参数,从而获得理想的设计结果.通过对其进行仿真研究,验证了设计的可行性。
关键词：绕线机; 超前校正 ;极点配置 ;Matlab
Calibration of rotor winding machine control system design and simulation
Abstract：Use of MATLAB software Simulink simulation platform, the rotor winding machine control system mathematical modeling and simulation, and combining the Bode chart analysis, the controller parameters of control system, to obtain ideal result of the design. Through carries on the simulation study, verify the feasibility of the design.
Key words: winding machine; Advanced correction; Pole assignment; MATLAB.
  转子绕线机，顾名思义绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。原电动工具行业常用手动绕线设备效率低、精度差，不能适应电动工具行业生产规模化发展的需要。本设计是通过改进电动机转子线圈的绕制方式完成设计一种转子绕线机，旨在提高 电枢制造的自动化程度，减轻绕线劳动强度，提高电枢的整体质量，实现绕线槽满率高，绕线圈数精确，降低废品率，同时兼顾操作者的方便性。它用直流电机来缠绕铜线，能快速准确地绕线，并使线圈连贯坚固。采用自动绕线机后，操作人员只需从事插入空的转子，按下启动按钮和取下绕好线的转子等简单操作。

设计步骤

1、实验原理//刘有为、白松其
转子绕线机控制系统

总体设计框图为：

R(s) K1 1/s(s+5)(s+10) C(s)
—

2、开环系统//李盼盼
定义：开环控制系统适用于简单的系统，它没有反馈环节，响应时间较长，成本较低。

（1）开环系统结构框图:

R(s) K1 1/s(s+5)(s+10) C(s)

（2） 动态响应分析：
传递函数化简成标准形式为：；
由计算得：k=750；
所以开环传递函数为：。
开环系统的响应曲线为
程序
clear,clc
num = 15;
den = conv([0.2,1,0],[0.1,1]);
sys = tf(num,den)
figure(1);step(sys)
figure(2);impulse(sys)

3、各环节的放大级数及其时间常数//吴杰、庄元
Kv=limG(s)s=k/50≥15 (s→0)
k≥750
Ф(s)=G(s)/[1+G(s)]=k/[k+s(s+5)(s+10)]=k/(s³+15s²+50s+k)

由劳斯判据得
设s³+15s²+50s+k=0
s³ 1 50
s² 15 s
s (750-k)/15
(750-k)/15＞0
k＜750
所以k=750

G(s)=K1/s+K2/(s+5)+K3/(s+10)=[K1(s+5)(s+10)+K2s(s+10)+K3s(s+5)]/[s(s+5)(s+10)]
K1(s²+15s+50)+K2s²+10K2s+K3s²+5K3s=750
K1+K2+K3=0
K2+K3=-15
K1=15 K2=-30 K3=15

A(w)=1
所以解得w=0.707rad/s
t=1/w=1.414
所以
时间常数t=1.414

4、系统扰动分析：//邓振杨
开环传递函数为：
G(s)=k/s(s+5)(s+10)
用极限可算出K值最小为750
因此G(S)=750/s(s+5)(s+10)
穿越频率wg：7.07rad/s
wc约为7.07rad/s；
相角裕度为2.34e-0.5deg；
则幅值裕度约为0deg
程序
num=[750]
 den=[1,15,50,0]
 sys=tf(num,den) 
[mag,phase,w]=bode(num,den) 
[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w) margin(sys)

使用matlab仿真如下：

5、比较开环时和闭环时的动态响应。//周密、朱俊
开环系统单位阶跃响应：
由题意和以上步骤可得：
开环系统函数为；

程序
num=15;
den=[0.02,0.3,1];
systf(num,den)
t=0:0.01:3;
step(num,den,t)%单位阶跃响应
grid
运行后开环系统单位阶跃响应曲线

由图可知，该系统不稳定，所以不存在峰值时间、超调量等。

闭环系统单位阶跃响应;
闭环传递函数:;
MATLAB仿真图：

结果：

程序为：
num=15;

den=[0.02,0.3,1,15];
systf(num,den)
t=0:0.01:3;
step(num,den,t)
Grid
运行后所得闭环系统单位阶跃响应曲线

峰值为：C（tp）=1.9
峰值时间tp=0.501s；
周期T=0.89s
由图可知 该系统不稳定 需要校正

6、采用某种校正方式实现系统的稳定控制//王翰磊

所以最小K值K=750；
下求穿越频率

穿越处A（ω）=1
解得Wc=0.707rad/s
穿越频率处相角ᴪ（ωe）=-180
相对裕角ϒ=0deg
下求幅值裕度
相角穿越频率ᴪ（ωg）=-180
由三角函数可得ωg=7.07

故采用串联滞后校正
设滞后超前校正网络传递函数Gc（s）=（1+T1s）（1+T2s）/{(1+T1s/ ʙ )(1+T2ʙs)}
确定校正后截止频率，既ω=7.07；

确定超前校正T1=2.88

7、建议和意见//罗俊豪
课程的实效性不够。首先其次转子绕线机控制系统的矫正在很多领域已经有了丰富的应用。如：PLC数控、F940 GOT数控、全自动双飞叉嵌、FDY型有限分析及其优化，我们在建模、矫正可以更多地联系这些领域的成就。将知识与实践相联系，让我们在学习理论知识的同时，掌握一定的相关实效性应用。
课程的延伸性不够，科学不仅仅是人类认识世界和改造世界的经验的系统化、理论化的实证知识体系；它也是一种包含科学方法和科学战略的过程。而我们在学习有关转子绕线机控制系统的矫正的过程中，并没有充分联系以往学科知识。对知识的运用过于局限。
3.串联校正装置通常由一些无源或有源网络(无源串联校正，往往需要附加放大器用来提高增益以补偿串联校正过程中引起的幅值衰减；
有源串联校正，由于在其元件中含有放大器，因此上述补偿问题可在有源校正电路中自行解决，而不必增加额外的附加放大器。它结构简单，价格低廉，易于实现，但它无法减弱系统固有部分参数变化对系统性能的不良影响。反馈校正通常是在系统中加入速度或加速度反馈。反馈校正除改善系统特性外，还能削弱系统非线性特性的影响，减弱或消除系统固有部分参数变化对系统性能的影响，抑制噪声的干扰，而串联的超前。
滞后校正：（1）滞后校正主要用来校正系统的低频段，用来增大未校正系统的开环增益，以便提高系统的稳态控制精度。而超前校正主要在于改变未校正系统中频段的形状，以便提高系统的动态特性。
（2）滞后与超前组合校正。滞后校正部分和超前校正部分既发挥了各自的长处又用对方的长处弥补了自己的短处。如超前校正部分可以提高系统的快速性，恰好可弥补滞后校正部分使系统反应速度降低的不利影响。
综上，课程题目基本设计完整，在一定程度上调动学生对自动控制学习的热情，让我们复习了自控矫正等相关内容，自主学习了MATLAB的基本操作，提高了我们将知识转化为实践能力。但因为我们知识的局限性，题目不够具有时效性和延伸性。

三、设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练和考察过程.随着暖通科学技术发展的日新日异，暖通自动化控制已经成为当今较为前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此在我们学习暖通书面知识的同时，我们更应该加强实际中的知识的应用。
在老师的指导下，我顺利的完成了本次建筑设备自动化课程设计中规定的内容，收获颇多，感触很深。通过课程设计，掌握了什么是系统原理，系统设计工作的基本过程及其各阶段的基本任务，熟悉了系统设计总流程框图，了解了系统设计的生成过程、构造工具及其相关的技术，对课本上的知识有了更深的理解，课本上的知识是机械的，表面的。通过把该课程设计的内容，把原来以为很深奥的书本知识变的更为简单，对系统原理有更深的理解。这次课程设计，也使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，比如有时候被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道拉自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。本次课程设计结合了我们以前学过的专业知识和自控知识，很大程度上加深了我们对其他课程的了解。也运用到了我们专业有关的软件，使我们在操作专业软件上更加顺手了。作为一名大学生，掌握一门或几门专业制图软件同样是必不可少的，本次课程设计中要求用 Matlab制图。用Matlab制图方便简洁，易修改，速度快，我们团队的设计，都是在Matlab上设计出来的。能够轻松的操作专业软件是我们以后找工作的一大优势。
我们这次课程设计的时间大约用了一个星期，其中重要的一点就是团结。我们课程设计采用分组合作的形式，组间成员亲密无间的合作对这次课程设计的顺利完成起到了至关重要的作用。这就需要我们有团队精神，正所谓“众人拾柴火焰高”，我们便能达到我们的目标，很感谢我们组员之间默契的配合，通过大家的努力，终于得有收获。