哈工大自动控制原理课程设计
哈工大(威海)自动控制系统课程设计
自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计设计题目：含有电流自适应调节器的双闭环调速调速系统设计院系：信息与电气工程学院班级：设计者：指导教师：设计时间：2017年1月课程设计（论文）任务书一、题目分析1.问题的提出双闭环调速系统以其快速性好、高稳定性、结构简单、控制方便等优点在直流调速系统中占有主要地位。
但电流的断续是双闭环调速系统中存在的一个问题。
当电枢回路电感不太大或电动机负载较轻时，由于在续流过程中，电感所存储的磁场能不足以维持电流连续，这就造成电枢回路电流的断续。
当电流断续时，系统的机械特性上翘变软成非线性特性。
此时，电动机若工作在机械特性的非线性区域，系统的调速性能将明显下降，甚至导致系统的不稳定。
因此，必须采取一定的措施来改善系统的特性。
1.1双闭环调速系统双闭环反馈调速系统是由单闭环系统发展而来的。
单闭环系统用PI调节器实现转速无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。
但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。
分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实现嵌套连接，如图1所示。
线路连接原理如图2所示。
其中，ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE表示电力电子变换器。
图1 转速、电流反馈控制直流调速系统框图把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称为外环。
这就形成了转速、电流双闭环直流调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。
1.2电流断续时系统的工作状态当电流断续时，电感的续流作用在一个波头内就已结束，每个波头结束时，电流都减至零，相当于l T 为零，这使得平均整流电压与平均整流电流之间的关系成为比例环节。
自动控制原理课程设计论文
Harbin Institute of Technology自动控制原理课程设计论文课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：控制系统的设计与仿真院系：班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：哈尔滨工业大学自动控制原理课程设计任务书 设计题目：控制系统的设计与仿真一 题目要求1．已知控制系统直流电机的主要参数如下：电机转动惯量=m J 1.1B.FTS^2 负载转动惯量=l J 35kg.m^2 电机转矩灵敏度=t K 6B.FT/A 反电势系数=e K 8.1v/rad/s 电机电枢电阻=a R 4 电机电枢电感=a L 0.03H2．控制系统固有传递函数（或框图）待求；3．性能指标A（1）开环放大倍数60≥K （2）剪切频率 9040≤≤C ω （3）相位裕度50≥γ （7）角速度=•θ97°/s （8）角加速度=••θ350°/s ² （9）稳态误差≤SS e 0.5° 性能指标B（1）开环放大倍数400100≤≤K （2）剪切频率 10050≤≤C ω （3）相位裕度 60≥γ （7）角速度=•θ80°/s （8）角加速度=••θ300°/s ² （9）稳态误差≤SS e 0.2°二 设计过程 2.0固有传递函数已知控制系统直流电机的主要参数如下：电机转动惯量=m J 1.1B.FTS^2 负载转动惯量=l J 35kg.m^2 电机转矩灵敏度=t K 6B.FT/A 反电势系数=e K 8.1v/rad/s 电机电枢电阻=a R 4Ω 电机电枢电感=a L 0.03H根据已知参数可以根据自动控制元件书上有关直流电动机上的内容， 结合起来求出控制系统的固有传递函数,如图2.0 其中1m=3.281ft(英尺),J=Jm+Jl图2.0经过计算，得出固有函数的方框图)1049.0)(133(725.1)(0++=s s s G2.1人工设计2.1.1分析与选择校正方法原传递函数进行标准化化简得)11049.0/1)(1133/1(12367.0)1049.0)(133(725.1)(0++=++=s s s s s G可轻易得出原传递函数无剪切频率任务要求中对开环放大倍数K 的要求为开环放大倍数60≥K原放大倍数K0=0.12367，放大环节需要增加，设定开环放大倍数增致K=150，得到G1，则Kc=1212.9)11049.0/1)(1133/1(150)(2++=s s s G2.1.2总体设计方案—基于图解法合理运用校正环节析图像可知，需要加积分环节，而且放大环节需要增加 设定开环放大倍数增致K=150，得到G2 其中Kc=150/0.12367=1212.9)11049.0/1)(1133/1(150)(2++=s s s s G计算此时剪切频率c ω以及相角裕度γ11)1049.0/1(1)133/1(150)(222=++=c c c c j j j j G ωωωω相位裕度 ︒-=192.0γ 剪切频率 97.3=c ω分析Bode 图可知，仍需要加入环节使得剪切频率增大，且相位裕度增大， 所以加入一阶微分环节5s+1，经过整理加入校正环节11)1049.0/1(1)133/1()15(150)(22=+++=c c c c c j j j j j Ge ωωωωω当前的放大倍数 K=150 相位裕度 ︒=3.62γ 剪切频率 7.69=c ω 性能指标要求A 为：（1）开环放大倍数60≥K （2）剪切频率 9040≤≤C ω（3）相位裕度50≥γ性能指标B（1）开环放大倍数400100≤≤K （2）剪切频率 10050≤≤C ω （3）相位裕度 60≥γ可知现在已经达成性能指标A 和B 的要求 此时有ss s Gc )15(9.1212)(+=2.1.3顺馈校正性能指标A 要求：角速度=•θ97°/s ，角加速度=••θ350°/s ²，稳态误差≤SS e 0.5° 性能指标B 要求：角速度=•θ80°/s ，角加速度=••θ300°/s ²，稳态误差≤SS e 0.2° 设输入信号为R （t ）=ASinwt ，带入=•θAw ，=••θAw^2 稳态误差为)(w ss j E A e =加入顺馈环节可以有效减小系统稳态误差 设顺馈环节为Gb(s),有)(1)()(1)(2s G s G s G s E b +-=应有)()(2s G s G b =1时误差减小，15)(+=s ss G b2.1.4人工绘制校正前，后以及校正装置的Bode 图校正前开环传递函数)11049.0/1)(1133/1(12367.0)(0++=s s s G校正后)11049.0/1)(1133/1()15(150)(+++=s s s s s Ge校正装置ss s Gc )15(9.1212)(+=2.2计算机辅助设计2.2.1对被控对象仿真（1）被控对象开环传递函数仿真框图系统在Simulink 下的框图如图 2.1图2.1其Bode 图形如图2.2-200-150-100-50M a g n i t u d e (d B )10-310-210-110101102103104-180-135P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = InfFrequency (rad/sec)图2.22.2.2加入放大环节后的仿真（1）加入放大环节后开环传递函数的仿真框如图2.3图2.32.2.3加入积分环节后校正系统的仿真（2）加入积分环节后开环传递函数的仿真框如图图2.4图2.4其Bode 图如图2.5-150-100-50050M a g n i t u d e (d B )10-110101102103-270-225-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = -1.04 dB (at 3.74 rad/sec) , Pm = -0.192 deg (at 3.97 rad/sec)Frequency (rad/sec)图2.5可以看出当前的放大倍数 K=150 相位裕度 ︒-=192.0γ 剪切频率 97.3=c ω2.2.4加入微分环节后系统的仿真（1）加入微分环节后开环传递函数的仿真框如图2.6图2.6Bode 图如图2.7-100-5050100M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102103104-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 62.3 deg (at 69.7 rad/sec)Frequency (rad/sec)图2.7可以看出当前的放大倍数K=150；相位裕度︒=3.62γ；剪切频率7.69=c ω所以也是校正后的开环传递函数2.2.5校正环节的仿真校正环节的仿真框如图2.8图2.8对应Bode 图如图2.97580859095100105M a g n i t u d e (d B )10101010-90-45P h a s e (d e g )Bode Diagram Gm = Inf , Pm = InfFrequency (r ad/sec)图2.92.2.6校正后闭环系统的仿真（1）校正后闭环系统的仿真方框图如图2.10图2.10（2）对稳态误差的仿真输入A:26.883 Sin3.608t情况下稳态误差的仿真，如图2.11图2.11输入B:21.333 Sin3.75t情况下稳态误差的仿真，如图2.12图2.12通过读取scope观察稳态误差极小，满足条件3 校正装置电路图3.1校正装置的方框图校正环节的电路图，如图3.1TsTs K s Gc )1()(+=图3.14总结1．在这次自动控制原理课程设计中，通过已经得到了的实际的工程背景，我学会了利用Matlab 绘制Bode 图以及仿真的手段来分析以及解决实际问题的方法。
哈工大自控原理课设报告-电机
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：控制系统直流电机院系：控制科学与工程-自动化班级：设计者：学号：指导教师：强盛设计时间：2015年3月哈尔滨工业大学一、人工设计 (4)1.控制系统校正前的传递函数： (4)2.对于性能指标A： (5)（1）问题分析： (5)（2）采用超前校正时： (6)3.对于性能指标B： (8)（1）问题分析： (8)（2）减小误差 (8)二、计算机辅助设计 (8)1. 对于性能指标A (8)（1）被控对象开环simulink图 (8)（2）被控对象的开环bode图 (9)（3）校正以后的simulink图 (10)（4）校正以后的bode图 (10)（5）最后校正完成的闭环simulink图 (11)（6）阶跃响应时的仿真曲线 (11)2. 性能指标B (12)（1）被控对象开环simulink图 (12)（2）被控对象的开环bode图 (12)（3）校正以后的simulink图 (13)（4）超前校正以后的bode图 (14)（5）超前校正之后的闭环simulink图 (14)（6）阶跃响应时的仿真曲线 (15)（7）正弦响应的仿真曲线 (16)（8）用正弦信号输入时，采用顺馈控制的simulink图 (17)（9）加入顺馈控制之后的正弦响应的仿真曲线 (18)三、校正装置电路图 (19)1. 对于性能指标A： (19)(1)超前环节的电路参数 (19)(2)放大环节的电路参数 (20)2. 对于性能指标B： (20)（1）超前环节和放大环节 (20)（2）顺馈环节 (20)四、设计总结 (21)五、设计心得 (22)一、人工设计1.控制系统校正前的传递函数：根据直流电机的工作原理及其公式可得：uKtd d t d d T t d d TT aeMm11212313a=++θθθKK J R TMea M=RL Taaa =JnJ Lm J 21+=将已知条件代入上式，12.171712.0=+=J018.538.941.58.919212.1712=⨯=⨯⨯=TM00625.01210375=-⨯=T autd d td d td d a21018.53331.01212313=++θθθ由于T T M a <<，因此T a 可以忽略，上式第一项变为0. 对上式取拉氏变换，得()()()s s s s U sa 21018.53112=+θθ所以传递函数()()()()1018.53211+==s s s s s G U aθ2.对于性能指标A ： （1）问题分析：由指标（1），将传递函数改写为()1018.534000+=s s G系统的闭环特征方程为：0400018.532=++s s所以由劳斯判据可得：s 253.018 1s 1400 0s1 0该系统稳定，固有传递函数的bode 图如下：修改开环放大倍数为400-40-30-20-100102030405060M a g n i t u d e (d B )10-310-210-110-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/s)此时的剪切频率和相角裕度分别为：s rad c 74.2=ω 13.2︒=γ本题要求超调量%30≤σp ，过渡过程时间s t s 2≤ 根据经验公式⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=1sin 14.016.0γσp ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-1sin 125.21sin 15.12γωγπc s t 求得︒≥82.47γ，s rad c447.4≥ω实际的γ比要求的小很多，因此采用超前校正。
哈工大自控元件课设概要
计算出此力F约为56N。
发球装置的设计
考虑到市面上小型气动装置提供的作用力普遍 不超过20N,故采用弹性系数选择范围很宽、力与 位移呈线性关系的弹簧来提供推力。 由胡克定律与功能关系
1 2 1 2 1 2 kx1 kx 0 mv 2 2 2
计算可知，应采用弹性系数为1100N/m的弹簧。 由于直线电机高转矩、低转速的特性，并不能满 足发球频率6次/秒的要求，且给弹簧储能后不好 释放，这里采用非接触式的电磁开关，执行机构 简图如右： 前端磁性圆盘与弹簧焊接固定，上端滑槽内是 一个限位开关，可实现最大射速与最小射速之间 的任意调节，右端是一个电磁铁吸引圆盘并使弹 地四周的视觉传感器，我们不需要很高 的精度，只需要知道，在哪块区域里有网球即可，并 不需要通过这个传感器知道网球的精确位置。所以这 个传感器的分辨率不需要很高，但是需要有较大的可 视角。联想街道使用的监视器，这种监视器符合我们 的要求。初步选定龙视安 LS-Z633DM这种型号的监 视器。其产品参数如右图。查取其具体规格，得知在 使用4mm镜头焦距时，其可视角为69.9°，基本上可 以满足我们的远程监测网球的要求。
电磁铁的选择
弹簧长20cm，压缩10cm需要110N的力，可选 用直流吸盘式电磁铁，它在通电状态下可产生 强劲吸附力，省力省电，安全可靠，并可进行 远程操作。在多次比较价格及性能参数后，决 定选用乐青市鸣豫电气有限公司的设备： 留出一定裕量，选用吸引力为180N的型号 CNMYE1-P34，可以满足性能要求， 价格为78元，经济上也能接受。
小车状态
视觉传感器
视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个 或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。 视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉图像信息。 在这个系统中我们使用两类视觉传感器，一种固定在场地四个 角落，用于全局观察场地内网球的散落情况，另一种固定在机器人 上，用于在捡网球过程中对网球的精确观察，指导捡球装置的运行。
自动控制原理设计报告
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y自动控制原理设计报告课程名称：自动控制原理设计题目：核反应棒控制系统院系：电气工程及自动化学院班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2011年12月20哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
目录第一章、设计思路 (5)1.1超前补偿方法 (5)1.2闭环主导极点方法 (5)第二章、手工设计部分 (5)2.1、数据计算………………………………………………………………^52.2开环传递函数补偿前后的伯德图 (6)2.3电路实现 (7)第三章、计算机辅助设计部分 (8)3.1 simulink仿真框图 (8)3.2伯德图 (8)3.3阶跃响应曲线 (10)第四章、设计心得体会 (11)第五章、参考文献 (11)第一章设计思路根据题目要求很容易求出系统的开环传递函数为G(s)=Ka/[s2(0.025s+1)]可知系统是三阶的，属于高阶系统，题目有三个要求①设计合适的校正网络，使得系统足够稳定，②系统的阶跃响应的超调量在10%到20%之间，③调节时间不大于2s。
系统的阶跃响应的超调量和调节时间都是系统的动态性能指标，因此如果想要必须从系统的动态指标入手，找出设计突破口。
在设计过程中我先后采用了两种设计思想，第一中是超前滞后补偿思想和闭环主导极点补偿思想。
1.1超前补偿方法高阶系统性能指标间的关系式（经验公式）为：Mr=1/sinγ;σp=0.16+0.4(Mr-1)ts=π[2+1.5（Mr-1）+2.5(Mr-1)2]/wc根据以上公式可求出γ>58。
且wc>3.3rad/s。
因为当wc=3.3rad/s时γ=-10左右，如果采用超前补偿进行相位补偿的话，应该补偿的相位裕度超过了70度，但是当补偿角度大于60度时补偿网络很难实现，因此我考虑使用两次超前补偿，但是经过计算发现，要使第二次超前补偿补偿角度最大（达到60度），第一次超前补偿角度最多也只能达到5度左右。
哈工大自动控制课程设计
课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：钻机控制系统设计与仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：1204201设计者：谢玉立学号：1120420130指导教师：王松艳、晁涛设计时间：2015年3月2日哈尔滨工业大学钻机控制系统设计与仿真一.人工控制根据受控对象框图，要求性能指标A1.开环放大倍数=100；2.剪切频率3.相位裕度4.谐振峰值5.超调量≦22％6.过渡过程时间≤0.7s7.角速度8.角加速度9.稳态误差：阶跃输入且干扰为零时，稳态误差为零；干扰为阶跃，输入为零时，稳态误差为0.01根据条件9得知。
1由输入引起的稳态误差：01)1()(11lim 0=⋅++⋅=→s s s s G s e s ssr得出)()1(1(lim=+++→s G s s s s s ）（1）2.由干扰引起的偏差信号ss s s G s s s E f 1)1()(1)1(1)(⋅+++-=01.01)(lim 1)1()(1)1(1lim )(lim 000-=-=⋅+++-⋅=→→→=s G s s s s G s s s s sE e s s f s ssf （2）由（1)和（2）得出校正环节 ，形式可以为1Ts 1s (K (s)v c ++=）τG 且 100v =K3由经验公式：srad c c s p w w t 58.23 65 0.719.01(5.2)19.01(5.124.602320sin 22.0)1sin 1(4.061.02≥⇒︒=≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+=︒≥⇒≥⇒≤-+=γπγγγσ）各环节Bode 图系统校正前不变部分手工绘制的Bode 图：得出：s r a dw 97.95.7200=︒=γ（1)可知：采用超前校正，由图斜率较大，故∆取20度︒=∆∆+-=200γγφm10-210-110101102-60-40-20204060ω(rad/s)L (ω)(d B )图2 校正前系统的开环Bode 图得018.011arcsin68.74m =⇒+-=︒=αααφφm4.171lg-=-α由Bode 图可知s rad m w 3.27= 此时︒=76.8γ 满足要求004914.0273.01==⇒=T w m τατ得校正环节1004914.0)10.273100(++=s s s G c （）校正环节Bode 图：图4 校正环节的Bode 图加入串联超前校正之后，系统的Bode 图如下：通过计算得满足条件 。
哈工大自动控制原理设计讲解
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：随动系统的校正院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2014.2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
目录1、题目要求与分析 (1)1.1题目要求 (1)1.2题目分析 (1)2、人工设计 (1)2.1未校正系统的根轨迹 (1)2.2校正环节 (2)2.2.1 串联迟后校正 (2)2.2.2 串联迟后--超前校正 (4)3、计算机辅助设计 (6)3.1对被控对象仿真 (6)3.2对校正以后的系统仿真 (7)3.2.1 串联迟后校正 (7)3.2.2 串联迟后--超前校正 (8)3.3对校正后闭环系统仿真 (9)3.3.1 串联迟后校正 (9)3.3.2 串联迟后--超前校正 (10)4、校正装置电路图 (11)4.1串联装置原理图 (11)4.2校正环节装置电路 (11)4.2.1 串联迟后校正校正装置电路 (11)4.2.2 串联迟后—超前校正装置电路 (13)5、系统校正前后的nyquist图 (15)5.1系统校正前的nyquist图 (15)5.2系统校正后的nyquist图 (15)5.2.1 串联迟后校正的nyquist图 (15)5.2.2 迟后—超前校正的nyquist图 (16)6、设计总结 (16)7．心得体会 (17)1、题目要求与分析 1.1题目要求（1）、已知控制系统固有传递函数如下： G(s)=)1125.0)(15.0(8++S s s（2）、性能指标要求：a. 输入单位速度信号时，稳态误差e<0.15rad.b. 输入单位阶跃信号时，超调量σρ<35%,调整时间t s <10秒。
c.输入单位阶跃信号时，超调量σρ<25%,调整时间t s <4秒。
哈工大_自动控制元件课程设计_自平衡电动车自动控制系统的研究ppt
控制要求
要保持电机运转，始终需要控制器， 固定转速不需要控制器，只需要改变转速 还可使用这一控制器控制转速 才需要控制器 转子运行频率低于定子，差值即为差频， 随着负载增加差频也增加
差频
定子和转子磁场频率相等
2.模块划分
2.1.1电机类型的选择
特性 控制精度 低频特性 矩频特性 过载能力 BLDC电机
3.综合评价
经济性分析： 目前市场上主流的自平衡电动车价格大约在10000万元左右，而本设计 中的电动车，两个无刷直流电机和驱动器需要约1000元，48V12Ah的铁锂 电池需要约1000元，其余部分有传感器、车轮、小车机械结构和控制芯片 电路需要约3000元，成本总计约总共加起来需要约5000元。与目前市场价 相比，该设计经济上有明显优势。 安全性分析： 该设计加入陀螺仪和加速度计来测量小车车体的姿态，保证小车始终 处于平衡状态运行。即使由于特殊路况或人为原因，小车不稳定而失去控 制，小车最大加速度为0.75m/s2，最大速度为5m/s，由于设计速度较低，安 全性能够得到保障。同时，小车装有红外避障装置，在人为控制不及时的 情况下，系统可以紧急改变小车运行路线。另外，本设计所选的无刷直流 电机IP防护等级较高，在特殊的天气（例如刮风下雨）下仍能正常工作。
计算过程: 解：小车匀速运动时，电机的角速度 车轮需要提供的摩擦力矩 每个车轮需要提供的摩擦力矩 单个电机需要提供的功率 小车加速运动时，加速度 车轮需要提供的最大转矩为 每个车轮需要提供的摩擦力矩为 单个电机需要提供的最大功率 单个电机所需过载能力
2.模块划分
2.1.2无刷直流电机型号的选择
无刷直流电机的选择: 根据计算可知，电机额定转速应不 小于239r/min，额定转矩应不小于 6N*m，电机的额定功率应不小于 150W；加速时，最大输出转矩应不小 于18N*m，最大输出功率为255W。并 且，一般来讲，所选电机额定转矩的 80%应大于自平衡电动车的工作转矩， 最大转矩的80%也应大于自平衡电动车 加速时的最大输出转矩，额定功率的 80%也应大于匀速时的功率，保证留有 余量。 基于以上考虑，我们选择90ZW-01 型号无刷直流电动机。具体参数如右表：
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H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：控制系统的设计与仿真院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：王松艳、晁涛设计时间：2016年3月哈尔滨工业大学目录课程设计任务书............................................................................................. 错误！未定义书签。
1、题目要求与分析 (3)1.1 题目要求 (3)1.2 题目分析 (3)2、人工设计 (4)2.1 局部反馈校正和积分环节的设计及计算 (4)2.1.1局部反馈校正 (4)2.1.2积分环节的设计和计算 (5)2.2 串联超前校正环节的计算 (6)2.2.1第一次超前校正 (7)2.2.2第二次超前校正 (8)2.2.3第三次超前校正 (9)3、计算机辅助设计 (10)3.1 被控对象仿真 (10)3.1.1被控对象开环Simulink模型图 (10)3.1.2 被控对象开环Bode图 (11)3.2 校正后的系统仿真 (11)3.2.1校正后的开环Simulink模型图 (11)3.2.2校正后的开环Bode图 (12)3.3 对校正后闭环系统仿真 (12)3.3.1 校正后的闭环Simulink模型图 (12)3.3.2 单位阶跃响应仿真曲线 (13)3.3.3 系统的进一步优化 (13)4、校正装置电路图 (14)4.1反馈校正环节实现电路 (14)4.2积分环节和超前校正环节实现电路 (15)5、设计总结 (16)5.1 设计结论 (16)5.2 设计方法 (17)6、心得体会 (17)1、题目要求与分析1.1 题目要求已知受控对象框图为：1Y(s)K 100s +12Transfer Fcnnum(s)den(s)Gp(s)num(s)den(s)Gc(s)1R(s)图1.受控对象框图性能指标：（1）速度误差数v K =100；（2）超调量%5p ≤σ。
1.2 题目分析经分析该系统固有传递函数为二阶系统，但该二阶系统不是标准二阶系统。
令K=100，画出Bode 图。
-50050100150200M a g n i t u d e (d B )10-210-110101-405-360-315-270-225-180-135P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , P m = 1.53e-013 deg (at 1 rad/sec)Frequency (rad/sec)图2.原系统Bode 图2、人工设计2.1 局部反馈校正和积分环节的设计及计算2.1.1局部反馈校正考虑到固有环节1s 100)s (20+=KG 不是标准二阶环节，所以加一个反馈环节1s +τ，使其成为标准二阶环节，则系统框图变为1Y(s)99100s +12Transfer Fcn1Gain1-K-Gain du/dt Derivative1R(s)图3.加入反馈校正后的系统框图系统传递函数变为=)(s G 11110012+++++s K K s K K Kτ由于指标要求超调量%5p ≤σ为了减小系统的超调量，所以应该减小系统的阻尼比。
令时间常数T=1100+K =1， 解得，K=99。
令阻尼比ζ=0.9，1+K K τ=1.8， 解得，τ=1.82。
加入反馈校正后，系统的传递函数变为=)(0s G 18.199.02++s s此时，画出系统函数的Bode 图如下-80-60-40-20M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , P m = InfFrequency (rad/sec)图4.加入反馈校正后的系统Bode 图2.1.2积分环节的设计和计算由于性能指标要求速度误差数v K =100，所以应该再串联一个积分环节s101，使系统成为Ⅰ型系统，而且系统的开环增益K=100,则系统框图变为下图1Y(s)101sTransfer Fcn599100s +12Transfer Fcn1Gain1-K-Gaindu/dt Derivative1R(s)图5.加入串联积分环节后的系统框图则系统传递函数变为)(0s G =ss ++238.1s 100该系统变成一个三阶系统，具有一个积分环节，且该系统是Ⅰ型系统，满足性能指标v K =100的要求。
画出加入积分环节后的系统Bode 图如下：-100-5050100M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102-270-225-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = -34.9 dB (at 1 rad/sec) , P m = -67.7 deg (at 4.6 rad/sec)Frequency (rad/sec)图6.加入积分环节的系统Bode 图从该Bode 图中可以读出，加入积分环节后，系统的剪切频率c ω=4.6rad/sec ，相角裕度0γ=-67.7°。
接下来的工作就是对该系统进行校正，使其满足另一个指标要求超调量%5p ≤σ。
2.2 串联超前校正环节的计算加入反馈校正和积分环节后，由Bode 图得出剪切频率c ω=4.6rad/sec ，相角裕度0γ=-67.7°。
经过分析，剪切频率过小，相角裕度也很小，应该同时提高剪切频率和相角裕度，所以首先选择串联超前校正对系统进行校正。
因为指标要求%5p ≤δ，使用经验公式p δ=[100(r M -1)]%γsin 1r =M 计算可得，γ≥72°。
而原系统的相角裕度0γ=-67.7°。
m φ=72-(-67.7)=140°由于m φ过大超过了90°，所以考虑采用多次串联超前校正。
取1m φ=m φ÷2=70°，则由公式可以计算出串联超前校正环节的参数1α03.0sin 1sin -1m1m11=+=φφα接下来求出校正后的剪切频率c ω20lg|)j (c 0ωG |=-20lg11α=-15db由原系统bode 图，可得c ω=8.2rad/s ，T=1c 1αω=0.704s1αT=0.03*0.704=0.021s则校正环节传递函数为)s (1c G =111++Ts Ts α=1021.01704.0++s s第一次串联超前校正后的系统传递函数变为)(01s G =s s ++238.1s 100*1021.01704.0++s s ， 画出校正后的开环Bode 图如下-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102103-270-225-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = -11.1 dB (at 4.46 rad/sec) , P m = -7.26 deg (at 8.35 rad/sec)Frequency (rad/sec)图7.第一次超前校正后的系统Bode 图经过第一次串联超前校正后，系统的剪切频率c ω=8.35rad/sec ，1γ=-7.26。
第一次超前校正后，系统的剪切频率和相角裕度仍然远不能满足要求，还需要再次进行串联超前校正。
取2m φ=70°，则由公式可以计算出参数2α03.0sin 1sin -1m2m22=+=φφα接下来求出校正后的剪切频率c ω20lg|)j (c 0ωG |=-20lg21α=-15db由原系统bode 图，可得c ω=19.3rad/s ，T=2c 1αω=0.300sαT=0.009s则第二次超前校正环节传递函数为)s (2c G =112++Ts Ts α=1009.01300.0++s s ，第二次串联超前校正后的系统传递函数变为)(02s G =s s ++238.1s 100*1021.01704.0++s s 1009.01300.0++s s 画出第二次超前校正后的开环Bode 图如下-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102103104-270-225-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 16.7 dB (at 69.4 rad/sec) , P m = 49.2 deg (at 19.5 rad/sec)Frequency (rad/sec)图8.第二次超前校正bode 图经过第二次串联超前校正后，系统的剪切频率c ω=19.5rad/sec ，2γ=49.2°。
由于γ=49.2rad/s ，仍然不能满足要求，考虑再使用一次超前校正，第三次超前校正，由于相角在高频段下降较快，裕度∆应取较大值，为了满足校正后相角裕度γ≥72°的要求，经过不断试凑，∆取50°，所以3m φ=72°-49.2°+50°≈70°03.0sin 1sin -1m3m33=+=φφα20lg|)j (c 0ωG |=-20lg31α=-15db 。
由bode 图，可得c ω=63rad/s ，所以T=3c 1αω=0.0916s ，3αT=0.00275s ，)s (3c G =100275.010916.0++s s ，)(03s G =s s ++238.1s 100*1021.01704.0++s s *1009.01300.0++s s *100275.010916.0++s s ，画出校正后的系统bode 图-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102103104-270-225-180-135-90-45P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 17.4 dB (at 237 rad/sec) , P m = 74.3 deg (at 64.1 rad/sec)Frequency (rad/sec)图9.第三次超前校正后系统开环Bode 图经过第二次串联超前校正后，系统的剪切频率c ω=64.1rad/sec ，3γ=74.3°。