哈工大自动控制原理课程设计

课程名称：自动控制原理

设计题目：控制系统的设计和仿真

院系：航天学院控制科学与工程系班级：

设计者：

学号：

指导教师：

设计时间：2013.2.25---2013.3.10

哈尔滨工业大学

一、设计题目与题目分析

1.设计题目

1)已知控制系统固有传递函数如下：

2)系统性能指标要求：

（1）超调量；

（2）响应时间；

（3）稳态误差；

（4）最大速度；

2.题目分析

根据系统固有传递函数和系统性能指标要求，确定设计思路如下：首先完成使对系统无静差度和放大倍数的设计，稳态误差满足性能指标要求；再根据Bode 图设计串联校正环节，限制系统的相角裕度和剪切频率，最终使系统对阶跃响应的超调量和调整时间符合性能指标要求。

二、人工设计

1.稳态误差设计

根据系统固有传递函数，系统的无静差度符合要求，且系统放大倍数应符合如下要求：

得到：

在设计中，为方便计算并留有余量，取，并代入系统固有传递函数。

2.串联校正环节设计

绘制系统固有传递函数部分的Bode图，见附录。根据性能指标第12条中对超调量和响应时间的规定，根据经验公式：

计算得到对系统相角裕度和剪切频率的要求：

根据系统固有传递函数，求出系统的相角裕度和剪切频率：

由于固有相角裕度过小而剪切频率远远大于性能指标要求，可先选用串联迟后校正：

取相角裕度，根据原有Bode图计算得到，并选取由此确定串联迟后校正环节为：

加入迟后校正后，再绘制Bode图（见附录），得到：

此时，剪切频率和相角裕度都比要求之偏小，应用串联超前校正：

取，根据Bode图得到，，由此确定串联超前校正环节为：

加入串联迟后—超前校正后得到系统新的Bode图（见附录），并根据Bode 图，得到控制系统新的相角裕度和剪切频率为；

知系统已经符合性能指标要求，并进行验算得到系统地超调量和响应时间为：

经过验算，知控制系统经过串联迟后—超前校正后，已经符合性能指标要求。

三、计算机辅助设计

控制系统固有部分的Simulink仿真框图如图1

图1

绘制系统地Bode 图如图2

-250-200-150-100-500

50

M a g n i t u d e (d B )

Bode Diagram

Gm = -13.2 dB (at 187 rad/sec) , P m = -80.6 deg (at 394 rad/sec)Frequency (rad/sec)

101102103104105

-540

-360

-180

0P h a s e (d e g )图2

根据人工设计所得到的校正环节，并根据仿真结果进行适当调试和修正，得到控制系统的最终校正环节，

并设计Simulink 仿真框图如图

3

图3

并得到控制系统校正后的Bode 图如图4

图4

根据得到的Bode图，得到系统的相角裕度和剪切频率为：

应用Simulink，对系统进行阶跃响应仿真测试，仿真框图如图5

并得到系统地阶跃响应曲线如图6

图6

根据阶跃响应曲线，得到系统地超调量和响应时间分别为：

符合性能指标要求。

继续对系统进行速度信号仿真测试，仿真框图如图7所示：

图7

并得到仿真曲线如图8：

图8

经过速度信号仿真测试，得到系统地稳态误差符合性能指标要求。

四、校正装置电路图与电路参数

串联迟后-超前校正装置电路图如图9所示：

图9

根据校正装置中的电容电阻与校正环节的之间的关系，可以求得校正环节中：五、设计结论

经过人工设计和计算机辅助设计，最终得到串联校正环节为：

并经过仿真验证，得到系统的相角裕度和剪切频率为：

并得到系统地性能指标为：

最终符合性能指标要求，完成对控制系统的校正。

六、心得体会

在本次自动控制原理课程设计中，我再次复习巩固了自动控制原理课程的理论基础知识，对控制系统的频率分析法有了进一步的理解和掌握，更加熟悉了手工绘制控制系统传递函数Bode图的方法，并能更加熟练的从中求取关键参数。在对控制系统进行校正设计时，我更深入地理解了频率法设计串联校正环节的原理和步骤，以及控制系统时域分析与频域分析的关系，时域指标和频域指标的转化。另外，在设计过程中强化了我的计算能力，锻炼了自己提出问题、解决问题的能力和坚持认真的态度。

在课程设计中使用Matlab/Simulink软件对控制系统进行设计与仿真，让我学会了用Simulink绘制系统的Bode图和响应曲线的方法，也体会到利用计算机软件分析和仿真控制系统的简便性和直观性。

此次课程设计的题目具有实际的工程意义。在设计中不仅要在理论上满足设计要求，同时要求在实际工程中具有可行性，设计要力求简约有效，在实际中能够容易实现同时又能解决问题，这使我们的对工程实际与理论的联系与差别有了更深刻的理解，对我们未来的学习和工作非常有意义。