江江苏苏科科技技大大学学控制工程课程设计说明书控制工程课程设计说明书学生姓名：学生姓名： 南宫幽夏南宫幽夏 学号：学号： xxxx 学学 院院:： 机械工程学院机械工程学院 专业班级：专业班级： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 1 班班 20132013 年年 1212 月月 2424 日日2 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟目录目录一设计任务一设计任务 3二设计要求二设计要求 3三设计原理三设计原理 3四设计过程及四设计过程及 MATLABMATLAB 程序设计程序设计 4五五SimulinkSimulink 仿真仿真 14六总结六总结 17七参考文献七参考文献 183 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟一设计任务一设计任务设一系统的开环传递函数为：，试设计1)1)(0.5ss(sk(s)G0串联校正网络，要求校正后，系统稳态速度误差系数=5)(sGcvK， 400。同时应用 MATLAB/Simulink 进行控制系统分析、设-1s计。通过建立数学模型，在 MATLAB 环境下对模型进行仿真。二设计要求二设计要求 确定采用何种校正装置。仿真校正前系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。 将校正前性能指标与期望指标进行比较，确定串联校正网络的传递函数，仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。仿真)(sGc校正后整个系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。 当输入1（t）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃)(tr响应曲线。分析校正前后的单位阶跃响应曲线，得出结果分)(th析结论。三设计原理三设计原理 串联超前校正以其相位超前特性，产生校正作用；串联滞后校正则通过其高频衰减特性，获得校正效果。 串联超前校正通常用来增大稳定裕量。串联超前校正比串联滞后校正有可能提供更高的幅值穿越频率。较高的幅值穿越频率对应着较大的带宽，大的带宽意味着调整时间的减小。超前校正的系统的带宽，总是大于滞后校正系统的带宽。因此，系统若需要具有快速响应的特性，应采用超前校正。当然，如果存在噪声4 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟信号，则带宽不能过大，因此随着高频增益的增大，系统对噪声信号更加敏感。 串联超前校正需要有一个附加的增益增量，以补偿超前校正网络本身的衰减。这表明超前校正比滞后校正需要更大的增益。一般说来，增益越大，系统的体积和质量越大，成本也越高。 串联滞后校正降低了系统在高频段的增益，但并不降低系统在低频段的增益。系统因带宽的减小而具有较低的相应速度。因为降低了高频增益，系统的总增益可以增大，所以低频增益可以增加，从而提高了稳态精度。此外，系统中包含的任何高频噪声，都可以得到衰减。 如果既需要有快速响应特征，又要获得良好的稳态精度，则可以采用串联滞后-超前校正。应用滞后-超前校正装置，可以使低频增益增大（改善了系统的稳态性能） ，也增大了系统的带宽和稳定裕量。 虽然应用超前、滞后和滞后-超前校正装置可以完成大多数系统的校正任务，但是对于复杂的系统，采用由这些校正装置组成的简单校正，可能仍得不到满意的结果。因此，这种情况下必须采用其它形式的校正装置。四设计过程及四设计过程及 MATLABMATLAB 程序设计程序设计校正前系统的开环传递函数 032kkG (s)s(s 1)(0.5s 1)0.5s +1.5s +s要求校正后，系统稳态速度误差系数=5 ， 400 vK-1s5 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟根据系统稳态误差的要求确定系统开环放大系数 K，因为原系统为 I 型系统，K=Kv=5。 未校正系统的开环频率特性的 MATLAB 仿真程序为：k=5;num=k;den=conv(1 1 0,0.5 1);sys=tf(num,den);margin(sys)grid软件输出的未校正系统的开环博德图如下：图 16 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟 未校正系统的根迹图的 MATLAB 仿真程序为：num=1;den=0.5,1.5,1,0;rlocus(num,den);title(Root Locus);软件输出的未校正系统的根迹图如下：图 2由图 1 知系统相位裕量，幅值裕量为=-4.44dB，幅c()13 o gk值穿越频率，故未校正系统不稳定。未校正系统的相位1.8/crad s穿越频率，取该点为校正后系统的幅值穿越频率。1.41/grad s c根据系统相位裕量的要求，设计滞后-超前校正网络时，其超40o7 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟前相角应不小于，取滞后网络的转折频率为，另40o0.10.141/crad s一个转折频率为，取超前部分的两个转折频率分0.010.0141/crad s别为和。0.4/rad s0.04/rad s则滞后-超前网络的传递函数为： ssG (s)=.s+1s+c（1/ 0. 141 +1）(1/ 0. 4 +1) （1/ 00141）(1/ 41)校正后系统的开环传递函数为：ssG (s)G(s)=sss+s+. s+c5(1/ 0. 141 +1)(1/ 0. 4 +1) (1/ 0. 0141 +1)(1/ 41)(1)(051) 校正后系统的开环频率特性 MATLAB 仿真程序为：k=5;num=conv(1/0.141*k k,1/0.4 1);den1=conv(1 1 0,0.5 1);den2=conv(1/0.0141 1,1/4 1);den=conv(den1,den2);sys=tf(num,den);margin(sys)grid输出的校正后系统的开环博德图如下：8 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟图 3 校正后系统的根迹图的 MATLAB 程序为：k=5;num=conv(1/0.14*k k,1/0.4 1);den1=conv(1 1 0,0.5 1);den2=conv(1/0.0141 1,1/4 1);den=conv(den1,den2);rlocus(num,den);title(Root Locus)输出校正后系统的根迹图如下：9 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟图 4 校正前后控制系统博德图的比较，在 MATLAB 中输入仿真程序为：k=5;num1=k;den1=conv(1 1 0,0.5 1);Go=tf(num1,den1);margin(Go)hold on;gridnum2=conv(1/0.141*k k,1/0.4 1);10 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟den2=conv(1 1 0,0.5 1);den3=conv(1/0.0141 1,1/4 1);den4=conv(den2,den3);GoGc=tf(num2,den4);margin(GoGc)grid输出校正前、后系统博德图如下：图 5由图 3 知，校正后系统具有 k=5，相位裕量 c0.809/rad s，幅值裕量的性能指标，满足设计要求。 c()=72.4 o gk =16.5dB 当输入1（t）时，校正前系统的单位阶跃响应的)(tr11 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟MATLAB 程序为：k=5;num=k;den=conv(1 1 0,0.5 1);sys=tf(num,den);sys1=feedback(sys,1);t=0:0.1:45;step(sys1,t);grid输出的校正前系统的单位阶跃响应曲线如下：图 612 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟 校正后系统的单位阶跃响应的 MATLAB 程序为：k=5;num=conv(1/0.141*k k,1/0.4 1);den1=conv(1 1 0,0.5 1);den2=conv(1/0.0141 1,1/4 1);den=conv(den1,den2);sys=tf(num,den);sys1=feedback(sys,1);t=0:0.1:90;step(sys1,t)grid on;输出的校正后系统的单位阶跃响应曲线如下：图 713 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟五五 SimulinkSimulink 仿真仿真应用 MATLAB 软件里的 Simulink 插件对系统的传递函数进行框图搭建仿真。 系统校正前、后的 Bode 图用 Simulink 插件输出：校正前的系统模型为：Linear Analysis Tool 输出校正前系统的 Bode 图如下：14 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟校正后的系统模型为：Linear Analysis Tool 输出校正后系统的 Bode 图如下： 当输入1（t）时，系统校正前、后的单位阶跃响应曲)(tr线用 Simulink 插件输出：校正前系统的单位阶跃响应的的 Simulink 仿真模型为：15 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟组件 Scope 输出的校正前系统单位阶跃响应曲线如下：图 8校正后系统的单位阶跃响应的的 Simulink 仿真模型为：组件 Scope 输出的校正后系统单位阶跃响应曲线如下：16 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟图 9由图 8 分析知系统在校正前不稳定，由图 9 分析知系统在校正后能达到稳定。六总结六总结本次自动控制原理课程设计，让我对校正有了更深层次的理解以及对 MATLAB 在自控方面的应用有了更多的了解，拓宽了知识面，锻炼了能力。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合，分析问题。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。对我们电子专业来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。17 / 17 机制 1 班 1140202117 彭伟七参考文献七参考文献1胡寿松 自动控制原理 北京：国防工业出版社 2章燕申 控制系统的设计与实践 北京：清华大学出版社 3魏克新 MATALAB 语言与自动控制系统设计 北京：机械工业出版社 4黄忠霖 控制系统 MATLAB 设计与仿真 北京：国防工业出版社 5谢自美 电子线路设计实验测试 武汉：华中科技大学出版社