飞行器控制系统设计

课程设计名称：自动控制原理课程设计题目：飞行器控制系统设计

专业：电气工程及其自动化

班级： 11级一班

姓名： ***

学号： *************

控制系统的时域性能指标为：

单位斜坡输入的稳态误差0.000443

2. 用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出

阶跃响应曲线，计算其时域性能指标。

三、设计计划：

1.查阅相关资料

2.确定设计方案

3.进行设计并定稿

4.进行可行性分析及电脑仿真

5.进行电脑输入录出

四、设计要求：

飞行器控制系统的开环传递函数为：

指导教师：

***

教研室主任：***

2011年12月19日

中国矿业大学银川学院

课程设计成绩评定表

3

摘要

摘要:根据被控对象及给定的技术指标要求，涉及自动控制系统，既要保证所设计的系统具有良好的性能，满足给定的指标要求，还有考虑方案的可靠性和经济性，本课程设计是在给定的指标下，分别用时域和频域方法设计该系统的控

制器。本文首先从理论的方法分别用时域和频域法求出控制系统的时域性能指标，再用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标，经验证，满足设计要求。

关键词:飞行器控制系统时域频域 MATLAB 。

目录

1 设计分析 (6)

1.1系统分析 (6)

1.1.1系统时域分析 (7)

1.1.2系统频域分析 (8)

1.2 二阶系统性能改善方法选择 (9)

1.2.1 比例-微分控制（PD控制） (9)

1.2.2 测速反馈控制 (9)

1.2.3 校正选择 (10)

2 设计方案 (11)

2.1 校正后的系统结构图 (11)

2.2 系统参数的选取 (11)

2.3 校正前后的系统比较 (13)

3心得体会 (14)

参考文献 (15)

飞行器控制系统设计

1 设计分析

1.1系统分析

系统的开环传递函数为：

4500()(361.2)

K

G S S S =

+

系统的静态速度误差系数为

45004500lim ()(361.2)361.2v s K K

K sG S S S →==

=

+

由控制系统的时域性能指标要求，单位斜坡输入的稳态误差ss e ≤0.000443。 系统的稳态误差为

1361.20.0004434500ss v e K K

=

=≤ 即

186.67K ≥

取200K =，

则系统开环传递函数为

900000

()(361.2)

G S S S =

+

系统的Simulink 仿真图如图1-1。

图1-1 系统的Simulink 仿真图

系统的闭环传递函数为：

2

900000

()361.2900000

S S S Φ=

++

1.1.1系统时域分析

可以通过Simulink 中的示波器察其单位阶跃响应。也可以通过Matlab 编程得到其单位阶跃响应波形。程序如下：

%绘制单位阶跃响应曲线 Num=[900000]; den=[1,361.2,900000]; step(Num,den); grid;

xlabel('t');ylabel('c(t)');

title('校正前系统的单位阶跃响应'); 系统单位阶跃响应如图1-2。

由系统单位阶跃响应曲线，可以得到系统的时域性能指标： 最大超调量 %54%%5σ=≥ 上升时间 0.00130.005r t s s =≤ 调节时间

0.0290.008s t s s =≥

校正前系统单位阶跃响应

t (sec)

c (t )

图1-2 系统单位阶跃响应

由单位阶跃响应曲线，可以看出系统在阶跃输入下还是可以稳定输出的，但是超调量比较大，有较大的振荡，上升时间满足指标要求，超调量和调节时间均

不满足系统指标要求。

1.1.2系统频域分析

利用Matlab 编程绘制系统的Bode 图，程序如下： %绘制系统Bode 图 G=tf([900000],[1 361.2 0]); figure(1) margin(G); grid

[gm,pm,wg,wp]=margin(G); 系统Bode 图如图1-3。

由系统Bode 图，可以得到系统的频域性能指标： 相位裕量 21.580γ=<

幅值裕度 h =∞

截止频率

915/c w rad s =

可见此系统并不满足指标要求。所以我们要加入相关环节，改善系统的性能。

10

10

10

10

P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = Inf dB (at Inf rad/sec) , P m = 21.5 deg (at 915 rad/sec)

Frequency (rad/sec)

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

图1-3 系统Bode 图

1.2 二阶系统性能改善方法选择

在改善二阶系统性能的方法中，比例-微分控制和测速反馈控制是两种常用的方法。这个两种方法均能使系统的阻尼比增大而自由频率不变，从而使系统的稳定性增强，下面对这两种方法做进一步的分析。

1.2.1 比例-微分控制（PD 控制）

比例-微分控制系统的二阶系统图如图1-4所示。

图1-4 比例-微分控制系统的二阶系统

由方框图我们可得系统的开环传递函数为：

(1)()(/21)

d n K T S G S S S w ξ+=

+

式中/2n K w ξ=，称为开环增益。若令1/d z T =,则系统的闭环传递函数为：

2

22

()()2n d n n

w S z

S z S w S w ξ+Φ=++ 式中

/2d n w z ξξ=+

由上面两个式子表明，比例—微分控制系统不改变系统的自然频率，但可增大系统的阻尼比。由于ξ与n w 均与K 有关，所以选择适当的开环增益和微分器时间常数，既可以减小系统在斜坡输入时的稳态误差，又可以使系统在阶跃输入时有满意的动态性能。

1.2.2 测速反馈控制

测速反馈控制系统的二阶系统图如图1-5所示。