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1、哈尔滨工业大学 自动控制原理课程设计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） 系统存在一个正弦干扰力矩 : A=05，f=082性能指标（1）开环放大倍数 （2）剪切频率 （3）相位裕度 （4）谐振峰值（5）超调量25%
2、 （6）过渡过程时间（7）角速度 （8）角加速度（9）稳态误差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。（3）计算机辅助设计 利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。（4）确定校正装置的电路形式及其参数。（5）撰写设计报告。具体内容包括如下五个部分。 1）设计任务书2）设计过程人工设计过程包括计算数据、系统校正前后校正装置的Bode图（在半对数坐标纸上）、校正装置传递函数、性能指标验算数据。 计算机辅助设计过程包括Simulink仿真框图
3、、Bode图、阶跃响应曲线、性能指标要求的其他曲线。 3）校正装置电路图 4）设计结论 5）设计后的心得体会 指导教师签字：_ 年 月 日 教研室主任意见：_年 月 日 教研室主任签字_ 年 月 日目录1.人工设计31.1固有环节的分析31.2性能指标的计算42.校正环节的设计52.1校正环节的分析52.2串联迟后环节的设计72.3串联超前环节的设计83.计算机辅助设计103.1固有环节的仿真103.2串联迟后校正的仿真123.3串联超前环节的仿真133.4系统的单位阶跃响应仿真143.5系统的斜坡信号响应仿真154校正环节的电路实现184.1校正环节的传递函数184.2确定各环节电路参数18
4、4.3绘制电路图195设计总结206心得体会211. 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。同时超调量和过渡过程时间要满足：。依据经验公式：-（1）-（2）可以得出：相角裕度，取余量可以令，同时rad/s，取余量可以令。依据角速度，角加速度，算出系统的输入信号：。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
5、问题。计算中频段宽度：h。依据，得出。从而求得：，同理,取余量可以得出，。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。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（0,20），横坐标，对应的,分析可知应满足：。解出。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，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，,此时。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
6、统原波特图（阶跃响应）：图1校正后系统的波特图，如下：图2校正环节波特图：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：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，我们现在已知的表达式，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。原系统的波特图计算机绘制如下：图7需要注意的是，画波特图时，被控
7、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：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12 3.校正装置电路图：图13 4.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。（2） 系统的要求都是时域的，我们真正在做校正环节的设计时，都是转化为频域。这就用
8、到了经验公式，在一定程度上，给后续的调试，带来了一定的麻烦。（3） 本次实验，没有通过串联超前迟后校正，而是采用了希望频率法。这就造成了，在电路图的设计环节，比较麻烦，或许实际生活中找不到现成的元器件，来完成校正环节的搭建。（4） 最后通过校正环节的设计，大致满足了系统对于过渡过程时间，稳态误差以及超调量的要求。 5.设计后的心得体会：这次的实验设计让我有了许多收获。 首先，我大概了解了控制系统设计与仿真的全过程，比之前的纯粹做题，有了明显的进步和认识，同时也进一步熟悉了matlab软件的运用。 其次，在做设计的整个过程中，需要考虑的东西比之前做题要完备的多，比如干扰的加入，把它加在哪儿，怎样
9、在有干扰加入的情况下，完成系统校正的设计，以及在干扰不可测的情况下，不能给干扰加顺馈控制等等的注意事项。这都很锻炼了人的思维能力。 然后，在做完仿真设计后，有一个校正装置电路图的设计环节，这个环节的加入，就需要考虑到，在设计校正环节时，要考虑到实际的情况，很可能，自己设计的校正装置，在实际中很难找到匹配的元器件，来满足参数的设计。 再者，通过人工设计和计算机仿真设计，我发现，人工设计，在很多情况下是不完美的，和预想的结果还是有很大的出入。就比如经验公式的运用，其实经验公式虽然能让我们进一步了解系统的校正要求，但同时它也是不准确的，通过经验公式得出的结果往往存在一定误差，这就使得，设计出的校正结构，在实际测试时，总与系统设计要求查那么一点点，不尽如人意。所以，就需要微调校正装置，来满足系统的要求。 最后，通过这次设计，我注意到了一个报告的完成，不光是之前的计算测试很重要，将报告完整而清晰的呈现出来，一样是一个值得我锻炼的工作。不能将自己的设计过程和设计思想通过报告完整的表达出来，那么你之前做的很多工作的价值都是要打折扣的，能让他人看懂自己的设计过程，了解自己的设计思路，才能更好的和他人交流，也才有更长远的进步。 以上就是我这次的设计报告，希望老师多多批评改正。6.参考资料：1.自动控制原理，哈尔滨工业大学出版社，裴润，宋申民主编。7.任务书附页：13
