计算机控制课程设计

计算机控制课程设计

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ﻩ

《计算机控制》课程设计报告

题目: 超前校正控制器设计

姓名: 窦金超

学号：１2０230１0２

2０1５年６月12日

《计算机控制》课程设计任务书

学号120230１02班级

学生窦金超指导教师任倩题目超前校正控制器设计

设计时间２０14年 6 月 5 日至2014 年 6 月１2 日共１

周

设计要求

设计任务:

设单位反馈系统的开环传递函数为

)1

5.0(

)

(

0+

=

s

s

K

s

G,采用模拟设计法设计超前校正数字控制器,使校正后的系统满足如下指标:(1)速度误差20

=

Kv；(2)相角裕度o

50

≥

γ;

(3) 幅值裕度10

≥

Kg dB。

方案设计:

1.完成控制系统的分析、设计；

2.选择元器件,完成电路设计，控制器采用MCS-５１系列

单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及),使用

Proｔｅl绘制原理图；

3.编程实现单片机上的控制算法。

报告内容：

1.控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、

数字控制器的脉冲传递函数和差分方程;

2.元器件选型，电路设计，以及绘制的Proteｌ原理图;

3.软件流程图，以及含有详细注释的源程序；

4.设计工作总结及心得体会；

5.列出所查阅的参考资料。

指导教师签字: 系(教研室)主任签字：

2

1

５

年

6

月

５

日

1. 控制系统的分析和设计

１.1实验要求

设单位反馈系统的开环传递函数为

)15.0()(0+=

s s K

s G ,采用模拟设计

法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标:(1) 速度误差

20=Kv ；(2) 相角裕度o

50≥γ； (３) 幅值裕度10≥Kg ｄB 。

1.2系统分析

(1）首先调整增益K 使系统的稳态误差满足要求，即系统应首先满足速度误差

系数的要求，为使系统满足速度误差系数的要求可得:

0lim

20

(0.51)

S K

Kv s s →==⋅+

（1）

故可求得：

K Kv

==

20

(2）

(2）用matlａb画出未校正前系统的bode图

(2.１)matlab程序如下：

nuｍl=[０0 20];

denl=[0.5 1 0］;

G=tｆ(nuｍl，denl)；

W=ｌogsｐace(-１，2,200);

bode（G,Ｗ)

margin(G);

［Gm，Pm,Wcg,Wcp]=mａｒｇiｎ(Ｇ);

[Gｍ,Pm,Ｗcg,Wcp]

（２.2)程序运行结果:

>> Ｕntitled1

ａns =

Ｉnｆ17.964２Inf 6.16８5

(2.3)bｏde图为:

图1 未校前正系统的b ｏde 图

(2.4）系统性能分析及校正方法选择:

由仿真结果知：当系统的速度误差系数满足要求时，系统的幅值裕度为无穷大，故幅值裕度满足要求;而系统的相角裕度为１７.9６4２,小于要求值５0,因此，需要串联一个超前环节来对系统进行校正,即采用串联超前校正。

1.３模拟控制器设计

（1)、确定剪切频率c ω：

由未校正系统的b ｏde 图可得：

２

0 lg20=2０lg2+4ｌg

2wc 0

（３)

从而求得：

0210 6.32/c rad s

ω==

（４) 进而

可

得

相

角

裕

度

为

：

018090arctan(0*)90arctan(0.5*210)17.6r wc T =--=-=。

（5)

-500

50

M a g n i t u d e (d B )10

-110

10

1

10

2

-180

-135

-90

P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = Inf dB (at Inf rad/s) , Pm = 18 deg (at 6.17 rad/s)

Frequency (rad/s)

（２)、由分析知系统应引进相位超前校正网络,故设控制器的传递函数为

1()1

TS Gc s S α+=

T + (1)α<。

(６）

(3)

、计算所需的相角超前量m φ,由题意知:

05017.6 5.638m r r φσ=-+=-+=。

(７)

(4）、根据38m φ=可以确定系数α:

1sin 1sin 38

0.24

1sin 1sin 38

m m φαφ--=

==++。

（8)

(５）、对应于m φ的m w 处的幅值增量应为：

1

1

10lg

10lg

6.20.24

dB α

==

（9）

所以在校正前系统的b ｏd ｅ图上有:

2

206.220lg 10.25dB wc wc

-=+

（10）

所以解得: 9/wc wm rad s == 。

（11）

（6)、校正装置的转折频率分别为：

1

1 4.4/w wm rad s T

α=== （12)

1

2/9/0.2418.3/w wm rad s T

αα====

(13)

11

0.23

1 4.4T w === (14)

αT =0.24*0.23=0.055