哈工大自控课设上课讲义

哈工大自控课设Harbin Institute of Technology自动控制原理课程设计课程名称：自动控制原理设计题目：红外干扰分离系统院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：金晶林玉荣设计时间：自动控制原理课程设计任务书姓 名： 院 （系）：航天学院 专 业：自动化 班 号：任务起至日期： 年3月2日 ——年3月16日课程设计题目：红外干扰分离系统1. 已知控制系统的固有传递函数（或框图）如下：（红外干扰分离系统）)127.0(22)(+=S S S G M=)(1S H 1)(=S H系统存在一个正弦干扰力矩 t A S F ωsin )(=: A=0~5，f=0~82．性能指标（1）开环放大倍数K ≥ （2）剪切频率 ≤≤c ω （3）相位裕度≥γ （4）谐振峰值M γ=（5）超调量p σ≤25% （6）过渡过程时间ms t s 25≤ （7）角速度s rad /2.0max =•θ （8）角加速度2max /8.0s rad =••θ （9）稳态误差mrad e ss 15.0≤ 3.设计要求与步骤（1）设计系统，满足性能指标。

（2）人工设计利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode 图，并确定出校正装置的传递函数。

验算校正后系统是否满足性能指标要求。

目录1. 人工设计 (5)1.1固有环节的分析 ...................................................... 错误!未定义书签。

1.2性能指标的计算 ...................................................... 错误!未定义书签。

2.校正环节的设计................................................................. 错误!未定义书签。

2.1校正环节的分析 ...................................................... 错误!未定义书签。

2.2串联迟后环节的设计 .............................................. 错误!未定义书签。

2.3串联超前环节的设计 .............................................. 错误!未定义书签。

3.计算机辅助设计................................................................. 错误!未定义书签。

3.1固有环节的仿真 ...................................................... 错误!未定义书签。

3.2串联迟后校正的仿真 .............................................. 错误!未定义书签。

3.3串联超前环节的仿真 .............................................. 错误!未定义书签。

3.4系统的单位阶跃响应仿真 ...................................... 错误!未定义书签。

3.5系统的斜坡信号响应仿真 ...................................... 错误!未定义书签。

4校正环节的电路实现 ......................................................... 错误!未定义书签。

4.1校正环节的传递函数 .............................................. 错误!未定义书签。

4.2确定各环节电路参数 .............................................. 错误!未定义书签。

4.3绘制电路图 .............................................................. 错误!未定义书签。

5设计总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。

6心得体会 ............................................................................. 错误!未定义书签。

1. 人工设计1.1题目分析由于系统存在正弦干扰力矩，且不可测，是一个不稳定的量，我们不妨将此力矩设定为干扰最大时的正弦信号，即此时干扰为t S F π16sin 5)(=。

同时超调量和过渡过程时间要满足：ms t s p 25%,25≤≤σ。

依据经验公式：)1sin 1(4.016.0-+=γσp ---------------------------（1） ])1sin 1(5.2)1sin 1(5.12[2-+-+=γγωπc s t --------（2）可以得出：相角裕度ο7187.54≥γ，取余量可以令ο60≥γ，同时77.287≥c ωrad/s ，取余量可以令s rad c /300≥ω。

依据角速度s rad /2.0max =•θ，角加速度2max /8.0s rad =••θ，算出系统的输入信号：t S R 4sin 05.0)(=。

因为校正后系统需满足的开环放大倍数K 没有明确告知，且系统内存在正弦干扰信号，在校正环节没有出来前，所以无法通过稳态误差来确定K 的值，继而原系统的相角裕度与剪切频率参考价值不大，所以用串联超前迟后校正，不太方便。

这里开始考虑用希望频率法来解决问题。

计算中频段宽度：h 。

依据11sin +-=h h γ，ο60=γ，得出14≈h 。

从而求得：s rad hs rad c/80)/(12≈=•-ωω，同理s rad /11203=ω,取余量可以得出s rad /702≈ω，s rad /12003≈ω。

绘制希望频率的高频段。

高频段的对数幅频特性只要以较大斜率下降即可，所以不妨令s rad /40004=ω。

此时只剩下低频段的连接问题，不妨令开环放大倍数K 是未知量。

将1ω算出是关于K 的一个函数。

计算过程具体如下：假设系统波特图过点（0,20K lg ），横坐标70lg 2=ω，对应的64046.12))(lg(2070lg ==ωS G ,分析可知1ω应满足：64046.12lg 20)lg 70(lg 40lg 2011-=-+K ωω。

解出20lg 2064046.1270lg 40lg 1K-+=ω。

到此时，除了K ，其他的参数都已确定。

因为稳态误差小于等于mrad 15.0，输入为正弦信号，所以我们不妨先假定估算出一个K 值，不考虑干扰的情况下，假定系统为1型，应满足mrad e KAss 15.0=≤，05.0=A ,此时333≥K 。

因为实际时，有干扰在内，且输入是正弦信号，不是斜坡信号，所以K 要略大。

不妨令K=2500。

1.2 相关图样的绘画系统原波特图（阶跃响应）：-50050M a g n i t u d e (d B )10101010-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 23.2 deg (at 8.65 rad/s)Frequency (rad/s)图1校正后系统的波特图，如下：M a g n i t u d e (d B )10-110101102103104105P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 24.2 dB (at 2.12e+03 rad/s) , P m = 60.2 deg (at 298 rad/s)Frequency (rad/s)图2校正环节波特图：M a g n i t u d e (d B )10-110101102103104105P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf , P m = 90 deg (at 7.78e+09 rad/s)Frequency (rad/s)图3从上面的图样可以看到，校正环节极大的提高了系统的剪切频率，同时也一定程度上增大了相角裕度。

合并的图样：-150-100-50050100150M a g n i t u d e (d B )10-110101102103104105-270-180-90090P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 33.7 deg (at 12.2 rad/s)Frequency (rad/s)图4由上图，可以明确清晰地看出，原系统经过校正环节的叠加，达到了题目所需的要求。

2. 计算机辅助设计2.1原系统的计算机仿真相关图样先给出原系统的Simulink 仿真框图。

由题目可知，我们现在已知)(S G M 的表达式，1)( S H ，说明是单位负反馈。

仿真框图如下：图5开环时被控对象仿真连接图如下：图6图中构成了一个单位负反馈，一个积分环节，一个振荡环节，一个放大环节构成原系统的)(S G M 。

原系统的波特图计算机绘制如下：-50050M a g n i t u d e (d B )10-110101102-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 23.2 deg (at 8.65 rad/s)Frequency (rad/s)图7需要注意的是，画波特图时，被控对象时开环的。

原系统阶跃响应曲线：（此时被控对象仿真时闭环的）图8由图样可知，系统的过渡过程时间，达到1s多，完全达不到设计的要求。

2.2.校正后的计算机仿真相关图样：校正后的系统Simulink仿真框图：图9校正后的系统波特图：M a g n i t u d e (d B )10101010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 24.2 dB (at 2.12e+03 rad/s) , P m = 60.2 deg (at 298 rad/s)Frequency (rad/s)图10校正后的阶跃响应曲线图：图11稳态误差满足时，稳态误差的图样：图123.校正装置电路图：图134.设计结论：（1）这个系统名为红外干扰分离系统，需要主要处理的就是，在外在干扰很大的情况下，甚至远大于输入信号时，如何消除干扰带来的巨大误差，并且让系统保持很大的快速性和稳定性。