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控制系统设计与仿真课程设计

课程设计说明书(论文)课程名称:自动控制原理课程设计设计题目:控制系统的设计与仿真院系:航天学院班级:设计者:学号:指导教师:设计时间:课程设计任务书姓名:院(系):航天学院控制科学与工程系专业:自动化班号:任务起至日期: 2012年 2月 27日至 2011年 3月 20日课程设计题目:控制系统的设计与仿真 1、已知控制系统固有传递函数如下:2、性能指标:(1)剪切频率30(2)相位裕度(3)稳态误差工作量:设计一个串联滞后校正环节,满足性能指标要求。人工设计利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图,并确定出校正装置的传递函数。验证校正后系统是否满足性能指标要求。计算机辅助设计利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。撰写设计报告。具体内容包括以下五个部分。 1)设计任务书 2)设计过程人工设计过程包括计算数据、系统校正前后及校正装置的Bode图(在半对数坐标纸上)、校正装置的传递函数、性能指标验算数据。计算机辅助设计过程包括Simulink仿真框图、Bode图、阶跃相应曲线、性能指标要求的其他曲线。 3)校正装置电路图4) 设计结论5) 设计后的心得体会工作计划安排:审题,查阅资料3天人工计算,计算机辅助设计5天修改,优化设计5天完成课程设计说明书2天同组设计者及分工:无同组设计者,全部自己完成指导教师签字___________________年月日教研室主任意见:教研室主任签字___________________2012 年3月14日1、题目要求与分析1.1题目要求(1)、已知控制系统固有传递函数如下:(2)、性能指标:(1)剪切频率30(2)相位裕度(3)稳态误差1.2 题目分析用MALAB绘制原传递函数的BODE图,如图1:图1 原传递函数BODE图显然,系统发散,,不满足题目要求的相位裕度及剪切频率的要求。需对原传递函数进行校正。2、人工设计2.1 校正方法的选择将题目中对稳态误差要求转化开环放大倍数要求由得按性能指标要求=500取手工做出的Bode图,如附录图1——系统校正前的Bode图。由图可知,原开环传递函数的剪切频率为,远大于设计要求的,)的相角裕度为-29.4不满足设计要求。在的相频特性上找出相角为= -180= -180 -120的点。该点所对应的角频率为,已超出了设计要求的=90,。考虑到串联迟后校正使用降低剪切频率的方法,换取更大的相角裕度。本题由于为了满足稳态误差的设计要求,具有很大的开环增益K,在BODE图中,他的幅频特性的值也很大,因而剪切频率也很大,已超出了系统的设计要求,而相角裕度的值很小,不满足要求,故采用串联迟后校正比较合适。2.2 串联迟后校正2.2.1 串联迟后首先,取,做串联迟后校正。当时,代入=6.58所以20lg由20lg解得串联迟后校正参数。取0.125所以T=即.串联迟后环节为其Bode图如下:图2 串联迟后校正的后的开环传递函数Bode图校正后系统的开环传递函数为其BODE图如下图3 校正后系统开环传递函数BODE图2.2.2验算手工在对数坐标纸上画出校正以后系统的频率特性Bode图(附录图2——系统校正后的Bode图)。由图知,校正以后系统的剪切频率为将代入有所以相角裕度为,均满足设计要求。3、计算机辅助设计3.1 对被控对象仿真(1)被控对象开环Simulink模型图图4 原开环传递函数Simulink模型图(2)被控对象开环Bode图图5原开环传递函数Bode图由仿真结果知,原系统开环传递函数剪切频率为,相角裕度为,不符合设计要求。3.2 对校正以后的开环系统仿真校正以后的开环系统Simulink模型图图6校正后开环传递函数Simulink模型图(2)校正以后的开环Bode图图7校正后开环传递函数Bode图由仿真结果知,校正后系统开环传递函数剪切频率为,相角裕度为,符合设计要求。3.3 对校正后闭环系统仿真校正以后的闭环Simulink模型图:图8校正后闭环传递函数Simulink模型图(1)单位阶跃响应仿真曲线:图9示波器观察跟踪的输出信号4、校正装置电路图4.1 串联装置原理图校正装置传递函数为采用运算放大器和RC网络构成的串联迟后校正装置。4.2 串联迟后环节装置电路由对于串联迟后环节T=且所以取0电路图如图11:图10串联迟后环节装置电路图4.3校正后系统的阶跃响应曲线图11校正后单位阶跃响应5、设计总结

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