能力拓展训练

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：

指导教师： 工作单位： 自动化学院

题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件：

飞行器控制系统的开环传递函数为：

)

2.361(4000)(+=s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s 008.0≤，单位斜坡输入的稳态误差00044

3.0≤，相角裕度大于85度。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

（1） 设计一个控制器，使系统满足上述性能指标；

（2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；

（3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系

统的动态性能指标；

（4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分

析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，

说明书的格式按照教务处标准书写。

时间安排：

（1） 课程设计任务书的布置，讲解 （一天）

（2） 根据任务书的要求进行设计构思。（一天）

（3） 熟悉MATLAB 中的相关工具（一天）

（4） 系统设计与仿真分析。（四天）

（5） 撰写说明书。 （两天）

（6） 课程设计答辩（一天）

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

摘要

根据被控对象及给定的技术指标要求，设计自动控制系统，既要保证所设计的系统有良好的性能，满足给定技术指标的要求，还有考虑方案的可靠性和经济性。本说明书介绍了在给定的技术指标下，对飞行器控制系统的设计。为了达到给定要求，主要采用了串联之后—超前校正。

在对系统进行校正的时候，采用了基于波特图的串联之后—超前校正，对系统校正前后的性能作了分析和比较，并用MATLAB进行了绘图和仿真。对已校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。

关键词：飞行器控制系统校正 MATLAB

目录

1串联之后—超前校正的原理 (4)

2飞行器控制系统的设计过程 (5)

2.2系统校正前的稳定情况 (5)

2.2.1校正前系统的伯特图 (5)

2.2.2校正前系统的奈奎斯特曲线 (5)

2.2.3校正前系统的单位阶跃响应曲线 (7)

2.3.1确定校正网络的相关参数 (8)

2.3.2验证已校正系统的性能指标 (9)

2.4.1校正前后的伯特图 (11)

2.4.2校正前后的奈奎斯特曲线 (12)

2.4.3校正前后的单位阶跃响应曲线 (13)

3设计总结与心得体会 (15)

参考文献 (16)

飞行器控制系统设计

1串联之后—超前校正的原理

如果系统设计要求满足的性能指标属频域特征量，则通常采用频域校正方法。在开环系统对数频率特性基础上，以满足稳态误差、开环系统截止频率和相角裕度等要求为出发点，进行串联校正的方法。

在伯德图上虽然不能严格定量的给出系统的动态性能，但却能方便地根据频域指标确定校正装置的形式和参数，特别是对已校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正其他方法更方便。

串联滞后—超前校正兼有滞后校正和超前校正的优点，当待校正系统不稳定，且要求校正后系统的响应速度 相角裕度和稳态精度要求较高时，应采用串联滞后—超前校正。其基本原理是利用滞后—超前网络的超前部分来增大系统的相角裕度，同时利用之后部分来改善系统的稳态性能。串联滞后—超前校正的设计步骤如下:

(1)根据稳态性能要求确定开环增益K 。

(2)绘制待校正系统的对数幅频特性曲线，求出待校正系统的截止频率c ω，相角裕度γ及幅值裕度h(dB)。

(3)根据时域与频域的关系，按要求指标求出校正后截止频率''c ω。

（4）过''c ω点作斜率为-20db/dec 的直线向左延伸至0.1''c ω时，斜率变为-40db/dec 与未校正前的伯特图相交于点w ，然后斜率再转为-20db/dec ，即1w πω时与原伯特图重合这样可以保证稳态误差值合乎要求。过''c ω点作斜率为-20db/dec 的直线随着w 增大直到2ω时斜率变为-40db/dec ，选取2ω要考虑相角裕度满足要求。即可作出校正后的伯特图。

（5）根据上面的可以写出校正传递函数。

(6)校验已校正系统的各项性能指标。

根据滞后超前校正的原理和步骤，可以在纯超前校正及纯滞后校正都不宜采用时，对系统进行串联滞后—超前校正。

2飞行器控制系统的设计过程

2.1飞行器控制系统的性能指标

飞行器控制系统的开环传递函数为

)

2.361(4000)(+=s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s t ≤0.008s ，单位斜坡输入的稳态误差0044

3.00e ss ≤，相角裕度大于85度。

根据单位斜坡输入的稳态误差00443.00e ss ≤，可以得出

ss

e K 12.3614000)s (sG lim K 0s ===→ν 84.203K =∴

2.2系统校正前的稳定情况

2.2.1校正前系统的伯特图

根据原有的飞行器控制系统的开环传递函数，在MATLAB 中绘制出校正前的波特图，如图2-1所示。

绘制校正前伯特图的MATLAB 源程序如下：

num=815350;

den=[1,361.2,0]; %校正前系统参数

bode(num,den); %绘制伯特图

grid;

2.2.2校正前系统的奈奎斯特曲线

根据原有的飞行器控制系统的开环传递函数，在MATLAB 中绘制出校正前的奈奎斯特曲线，

num=815350;

den=[1,361.2,0]; %校正前系统参数