扬州大学自动控制原理课程设计报告

扬州大学水利与能源动力工程学院 课程实习报告

指导老师签名：

年 月 日

课 程 名 称： 自动控制原理 题 目 名 称： 二阶系统校正 年级专业及班级： 建电1102 姓 名： 黄伟 学 号： 111705206 指 导 教 师： 李喆 评 定 成 绩：

教 师 评 语： 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告

1 目 录

一 实习的目的、任务及内容........................................... 3 （一）课程实习的目的............................................ 3 （二）课程实习任务.............................................. 3 (三) 课程实习内容.............................................. 3 二 未校正系统的分析................................................. 5 （一） 未校正系统零极点图...................................... 5 （二） 未校正系统根轨迹图...................................... 6 （三） 未校正系统单位阶跃响应.................................. 7 (四） 未校正系统开环传函的波特图.............................. 8 三 校正............................................................ 11 （一）选择校正方案............................................ 11 （二）超前网络确定............................................ 11 (三）校正后的传递函数........................................ 11 四 检验............................................................ 12 五 校正后系统的阶跃响应............................................ 14 六 Simulink仿真 ................................................... 15 七 电路设计........................................................ 16 （一）典型环节电路图.......................................... 16 1 比例环节（P）........................................... 16 2 积分环节（I）........................................... 16 3 比例积分环节（PI）...................................... 17 4 惯性环节（T）........................................... 18 5 比例微分环节（PD）...................................... 18 6 比例积分微分环节（PID）................................. 19 （二）校正装置电路图.......................................... 20 参考文献：......................................................... 21 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告 2 摘要

本次课程实习的主要内容是设计一个校正装置，是对自动控制原理课程的所有知识的一次小的应用以及对Matlab软件使用方法的一次小的锻炼。在课程实习中，先对待校正装置进行时域分析和频域分析，在算出原装置的参数，与系统要求对比之后决定使用串联超前校正。 计算出串联超前校正参数，将参数带入待校正的系统。校正后的系统经过校验满足了系统要求。再simulink对系统进行了仿真，之后画出了校正系统的电路图。 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告

3 一 实习的目的、任务及内容

（一）课程实习的目的 （1）培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力； （2）掌握自动控制原理的时域分析法、根轨迹法、频域分析法，以及各种校正装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标； （3）学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试； （4）学会使用硬件搭建控制系统； （5）锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力，为今后从事控制相关工作打下较好的基础。 （二）课程实习任务

某负反馈控制系统如图所示：

分析系统是否需要满足如下动静态性能指标要求： （1）单位斜坡输入信号作用时稳态误差ess≤0.1； （2）开环截止频率wc≥4.4rad/s； （3）相角裕度≥45。 如不满足，试为其设计串联校正装置。 (三)课程实习内容

（1）未校正系统的分析： 1）利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图 2）绘画根轨迹，分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能（稳定性、快速性）。 3）作出单位阶跃输入下的系统响应，分析系统单位阶跃响应的性能指标。 4）绘出系统开环传函的bode图，利用频域分析方法分析系统的频域性能指标（相角裕度和幅值裕度，开环振幅）。 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告 4 （2）利用频域分析方法，根据题目要求选择校正方案，要求有理论分析和计算。并与Matlab计算值比较。 （3）选定合适的校正方案（串联滞后/串联超前/串联滞后-超前），理论分析并计算校正环节的参数，并确定何种装置实现。 （4）绘画已校正系统的bode图，与未校正系统的bode图比较，判断校正装置是否符合性能指标要求，分析出现大误差的原因。 （5）求此系统的阶跃响应曲线。分析采用的校正装置的效果。 （6）绘画模拟电路，提出校正的实现方式及其参数。 （7）总结（包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程实习的认识等内容） 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告

5 二 未校正系统的分析

开环增益的选择： 因为1.01)(Kess，故取K=101rad

（一）未校正系统零极点图 待校正系统的开环传递函数为SSSG210)(，使用matlab画出其开环零极点图，Matlab程序为： n1=[10];d1=[1 1 0]; sys1=tf(n1,d1); pzmap(sys1) 未校正系统开环零极点图如图2.1所示：

图2.1 未校正系统开环零极点图 系统的闭环传递函数为：1010)(2SSSGb,使用Matlab画零极点图，Matlab程序为： n2=[10];d2=[1 1 10]; sys2=tf[n2,d2]; 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告 6 sys2=tf(n2,d2); pzmap(sys2) 未校正系统闭环零极点图如图2.2所示：

图2.2 未校正系统闭环零极点图 （二）未校正系统根轨迹图 用Matlab作未校正系统的根轨迹图，Matlab程序为： n1=[10];d1=[1 1 0]; sys1=tf(n1,d1); rlocus(sys1) 未校正系统根轨迹图如图2.3所示： 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告

7 图2.3 未校正系统根轨迹图 稳定性：当开环增益从零变化到无穷时，根轨迹图上的根轨迹不会越过虚轴进入又半s平面，因此未校正系统对所有K值都是稳定的。 快速性：由图可见，当0阻尼系统，单位阶跃响应为非周期过程；当K=0.025时，闭环两个实数极点重合，系统为临界阻尼系统，单位阶跃响应仍为非周期过程，但响应速度较情况为快，当K>0.025时，闭环极点为负数极点，系统为欠阻尼系统，单位阶跃响应为阻尼振荡过程，且超调量将随K值的增大而加大，但调节时间的变化不会显著。

（三）未校正系统单位阶跃响应 用Matlab作出系统单位阶跃输入下的系统响应，Matlab程序为： n2=[10];d2=[1 1 10];

sys2=tf（n2,d2）; step(sys2) 未校正系统系统单位阶跃响应图如图2.4所示： 扬州大学能源与动力工程学院课程实习报告 8 图2.4 未校正系统单位阶跃响应图 由阶跃响应图可得，上升时间rt=0.57s，峰值时间pt=1s,调节时间st=7.3s,超调量%=60% 由计算可得，上升时间rt=d=0.55s，峰值时间pt=d=1.006s，调节时间

st=5.3=7s，超调量%=%10021/e=60.5%

(四）未校正系统开环传函的波特图 作出系统开环传递函数的波特图，Matlab程序为： n1=[10];d1=[1 1 0];

sys1=tf（n1,d1）; bode(sys1) 系统的波特图如图2.5所示：