自动控制原理课程设计

自动控制原理课程设计报告

学号：

姓名：

指导

信息与电气工程学院

二零一八年六月

目录

1. 设计任务1 ............................................................ 错误！未定义书签。

2. 设计任务2 ............................................................ 错误！未定义书签。

3. 设计任务3 ............................................................ 错误！未定义书签。

设计题目：飞行姿态控制系统

1) 设计任务

技术要求：阶跃响应下超调量小于5%；调节时间小于5s 。控制系统简化模型为：

其中：2K 1=；1a ξω=；4a ω=；1a τ=

2) 设计过程:

将各数据带入得

216(1)

G ()(216)p s s s s s +=

++，

搭建simulink 图如下：

画出未校正系统的bode 图如下：

未校正阶跃响应曲线如下：

由上可得：未校正系统不满足技术要求，需进行校正。由 5.32/c rad s ω=和

180+=γψω=

（）30.2得原系统稳定，只是不满足超调量和调节时间要求，并且指标

没有要求带宽，为保证降低超调量和调节时间，不妨使系统开环幅频特性曲线快速通过0dB 线，且保证高频曲线斜率不变。又因为超调量小于5%，而二阶最佳模型在

=0.707ξ时的超调量为4.3%，所以可以采用按二阶最佳模型进行校正。

216(1)

G ()(216)

p s s s s s +=

++，按二阶最佳模型校正则系统期望开环传函为：

2G (2)

n s n s s ωξω=+，若满足要求，需要=0.707ξ，42s n t ξω==，即2n ξω=，2

8n ω=

所以8()(4)G s s s =+，2()216

()()2(1)(4)

c p G s s s G s G s s s ++==

++ 验算可得：超调量为4.3%，调节时间为2s 。 则校正过程bode 图为：

利用simulink 进行验证 搭建simulink 图如下：

校正后bode 图如下：

校正后阶跃响应曲线如下：

由上可得，超调量为：4.32%，调节时间为2.11s，满足性能指标要求。加入扰动进行抗扰动测试，搭建simulink图如下：

，加入扰动后阶跃响应曲线如下：

扰动为正弦信号，扰动通道传函为：1

s

1

该系统在加入扰动后等幅振荡，对于可测扰动，不妨使用动态前馈补偿保证扰动全补偿，搭建simulink图如下：

加入补偿后阶跃响应曲线如下：

系统误差曲线如下：

由上可得，系统恢复正常，误差随时间慢慢减小到0，且在调节时间5s之前。

3)校正装置图:

实物实现，可用有源校正网络进行实现。实物图如下：

由公式s 21U (1/)o R R U =+；

421/4R C τ==； 341()1R R C τ+==；

得:取0110R R K ==，则23410,30,10,25R K R K R K C F μ==== 4) 设计结论

使用串联校正的工程设计法，在这用的使按照二阶最佳模型进行校正可以使该系统满足性能指标要求，虽然减小了带宽，但是通过使剪切频率左移保证了增益快速下落，使得调节时间变小和超调量减小，满足了系统要求的性能指标。在面对可测不可控的扰动时，可以使用前馈补偿来保证扰动不会影响系统。而静态补偿无法做到全补偿，因此这里采用动态前馈补偿，保证了系统的不受影响。对于校正环节的电路实现，采用了有源网络和无源网络串联结合实现，通过有源网络实现比例环节，无源网络实现一阶惯性和微分环节。 5) 心得感受

通过这次课程设计，我加深了对自动控制系统各种校正方法，特别是对按二阶最佳模型进行校正方法的理解，并且通过搭建控制器的实际电路让我加深了对硬件电路知识的记忆和理解。

1) 设计任务

15：尾喷尾焰伺服系统

技术要求：6000K ν= 1/s ，25%p σ≤，0.15s t s ≤。 2) 设计过程

首先由扰动补偿方法消除扰动的影响，我这里选用动态前馈校正，校正后通过化简得被控对象传函如下：3246070.46

()0.0000130.005962p G s s s s

=

++

搭建simulink 仿真图如下：

未校正阶跃响应曲线如下：

未校正bode 图如下：

由上可得可用串联校正的综合法实现系统满足性能指标。 由6000v K = 1/s 得，6000/46070.460.13c K ==

0.160.4(1)p r M M =+-，令20%p M = 解得： 1.1r M =

s c

K t π

ω=

22 1.5(1) 2.5(1)r r K M M =+-+-

取0.05s t s =，由上述两式可得：136.66/c rad s ω= 则2(1)12.42/r c

r

M rad s M ωω-≤

=，取26/rad s ω=

3(1)260.8/r c

r

M rad s M ωω+≥

=。因为被控对象转折频率为277rad/s

3277/rad s ω=

11

136.6661

20lg

40lg 20lg 600020lg 6ωω+=+ 解得：10.58666/rad s ω=26/rad s ω=3277/rad s ω=

44277

20lg

40lg 60lg 136.66277759

ωω+=

解得：411550.6/rad s ω= 由上可得，控制器为：0.13(1/61)(1/2771)

()(1/0.136661)(1/11550.61)

c G s ++=

++

搭建校正后simulink图如下：

校正后系统开环bode图如下：

校正后阶跃响应曲线如下：

由上可得：满足性能要求。

校正后正弦函数输入检验跟随性能曲线如下：

由上可以看出，跟随性能良好。 3) 校正装置图

由公式可得：

5

s 6

R U (-)i U R =； 2

s 1

R U (-

)o U R =； 421/6R C τ==；

341()1/0.13666R R C τ+==； 841/11550.6R C τ==； 783()1/277R R C τ+==；

令164810R R R R K ====

解得：510R k =，2 1.3R k =，3447R k =，7406R k =

117C F μ=，28.66C nF =

4)结论：

使用串联校正的综合法，又称为期望特性法，将对系统要求的性能指标转化为系统开环对数幅频特性，也就是期望特性，然后通过在bode图上与未校正系统的对数幅频特性作比较，从而确定校正装置的结构与参数，通过使用这种方法，使得校正后系统满足要求条件。

5)心得感受

我刚开始简化回路的时候，想要将输入的得导数通过控制器消去，但是通过查阅资料等手段一直没有发现解决方法，后来想了想，输入的导数在这里应该算是扰动，所以应该可以通过动态前馈补偿来消除该扰动的影响。然后将后面速率反馈回路等效简化为三阶被控对象，通过自控原理老师教授过的串联校正的综合法进行校正，因为未校正系统的调节时间和超调量不满足要求，因此通过将性能指标转化为频域指标，进而转化为控制器传递函数，完成本次控制器设计。

通过本次自动控制原理课程设计，我收获良多，除了学会了matlab软件的进一步深入使用，还在本次设计中加深了对simulink组件的使用，在word的使用方面也是有了一点进步，遇见的各种麻烦也挺多，好在都慢慢克服了，为以后的毕业设计打下了良好的基础。除了加深了我对各种工具的使用，本次课设还让我回顾了一下模拟电子技术中的许多知识，还有自控原理中的很多校正方法，对于知识的融合多有良助！当然由于水平有限经验不足设计还存在着许许多多不足，但毕竟过程才是最重要的。希望以后能通过类似的课设多多提高自己的技术能力!

本次课设中，两位老师还提供了很多帮助，一些提点也使我获益良多，再次感谢他们的付出！