计算机控制系统课程设计--超前滞后矫正控制器设计

计算机控制系统课程设计--超前滞后矫正控制器设计

《计算机控制》课程设计报告

题目: 超前滞后矫正控制器设计

姓名:

学号: 10级自动化

2013年12月2日

《计算机控制》课程设计任务书

学号班级

学生指导教

师

题

目

超前滞后矫正控制器设计

设计时间2013年 11 月 25 日至 2013 年

12 月 2 日共 1 周

设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）13．超前滞后校正设计

设单位反馈系统的开环传

递函数为100

()

(0.11)(0.011)

G s

s s s

=

++

，采用模拟设计法设计数字控制器，使

校正后的系统满足：速度误差系

数不小于100，相角裕度不小于

40度，截止角频率不小于20。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

3

年

1

1

月

2

5

日

1.控制系统分析和设计 1.1实验要求

设单位反馈系统的开环传递函数为)

101.0)(11.0(100

)(++=

s s s s G ，采用模拟设

计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。

1.2系统分析

（1）使系统满足速度误差系数的要求:

()()

s 0

s 0100

lim ()lim

100

0.1s 10.011V K s G s s →→=•==++

(2)用MATLAB 画出100

()(0.11)(0.011)

G s s s s =

++的Bode 图为：

-150-100-50050

100M a g n i t u d e (d B )10

10

10

10

10

10

P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s)

Frequency (rad/s)

由图可以得到未校正系统的性能参数为： 相角裕度0 1.58γ=︒

， 幅值裕度0

0.828g K

dB dB

=,

剪切频率为：0

30.1/c rad s ω

=， 截止频率为031.6/g rad s

ω=

（3）未校正系统的阶跃响应曲线

0.20.40.60.811.2

1.41.61.82Step Response

Time (seconds)

A m p l i t u d e

可以看出系统产生衰减震荡。 （4）性能分析及方法选择

系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。

1.3模拟控制器设计

（1）确定剪切频率c ω

c ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速

性。

首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g rad s

ω=，令

30/c g rad s

ωω==。

（2）确定滞后校正的参数

2211

3/10

c ra

d s T ωω=

==, 2

0.33T

s

=,并且取得

10β=

112

110.33/rad s T T ωβ=

==, 1

3T s =

则滞后校

正的控制器为10.331()31

c s G

s s +=

+

此时系统的响应曲线为：

-150-100-50050

100M a g n i t u d e (d B )10

10

10

10

10

10

10

P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = 16.9 dB (at 26.5 rad/s) , P m = 26.9 deg (at 8.73 rad/s)

Frequency (rad/s)

滞后校正后的性能参数为： 相角裕度 026.9γ=︒， 幅值裕度 0

16.9g K

dB dB

=,

剪切频率为

：0

8.73/c rad s ω

=， 截止频率为026.5/g rad s ω=

系统仍需要进行超前校正 （3）确定超前校正的参数

在图中过（c ω，0dB ）作-20dB/dec 线，与原先的Bode 相交，交点的角频率为：

33

1

3/rad s T ω=

=, 3

0.3T

s

=

443

130/rad s T T β

ω=

==,4

0.03T

s =

超前矫正控制器的传递函数为：20.31

()0.031

c s G

s s +=

+