自动控制原理课程设计论文
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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 0.03H
2．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 G
2.1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 G
2.1.2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γ
11
)1049.0/1(1)133/1(150
)(22
2
=++=
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)(2
2
=+++=
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
s
s 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，1
5)(+=
s s
s G b
2.1.4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s
s s Gc )
15(9.1212)(+=