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1、HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology课程设计说明书（论文）课程设计说明书（论文）课程设计说明书（论文）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
2、：.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9 （4） 校正以后的 bode 图10 （5） 最后校正完成的闭环 simulink 图10 （6） 阶跃响应时的仿真曲线11 2. 性能指标 B.11 （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12 （4） 超前校正以后的 bode 图13 （5）超前校正之后的闭环 simulink 图
3、14 （6） 阶跃响应时的仿真曲线15 （7）正弦响应的仿真曲线15 （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17 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、人工设计一、人工设计1.控制系统校正前的传递函数：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：uKtdd tddTtddTTa eMm11 21231
4、3aKKJRT MeaMRLT aaaJnJLmJ21将已知条件代入上式，12.171712. 0J018.538 . 941. 58 . 9 19212.1712 TM00625. 01210375Tautdd tdd tdd a21018.53331.01 212313 由于，因此可以忽略，上式第一项变为 0.TTMaTa对上式取拉氏变换，得 ssssUsa21018.53112所以传递函数 1018.53211 sssssGUa2.对于性能指标对于性能指标 A：（1）问题分析：）问题分析：由指标（1） ，将传递函数改写为1018.534000ssG系统的闭环特征方程为：0400018.5
5、32 ss所以由劳斯判据可得：53.018 1s2400 0s11 0s0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 -40-30-20-100102030405060Magnitude (dB)10-310-210-1100-180-135-90Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/s)此时的剪切频率和相角裕度分别为：sradc74. 213. 2本题要求超调量，过渡过程时间%30psts2根据经验公式 1sin14 . 016. 0p 1sin125 . 21sin15 . 12cst求得，82.47sradc447. 4
6、实际的 比要求的小很多，因此采用超前校正。（2）采用超前校正时：）采用超前校正时：设串联环节的传递函数为11 TssGc5082.515182.47m11sinmBode DiagramFrequency (rad/s)-40-20020406080100System: sys Frequency (rad/s): 2.74 Magnitude (dB): 0.0234Magnitude (dB)10-210-1100101102-180-135-90System: sys Frequency (rad/s): 2.73 Phase (deg): -179Phase (deg)133. 01l
7、g20lg20mcjGsrad54. 4m604. 0 08. 0T 因此串联超前校正环节的传递函数为： 108. 01604. 0sssGc此时的传递函数为： 108. 01018.531604. 0400 sssssG校正后的 bode 图如下：由 bode 图可看出，校正后的sradc55. 4 5010-1100101102103-180-150-120System: sys Frequency (rad/s): 4.55 Phase (deg): -130Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/s)-100-80-60-40-20020406080
8、100System: sys Frequency (rad/s): 4.55 Magnitude (dB): 0.0177Magnitude (dB)3.对于性能指标对于性能指标 B：（1）问题分析：）问题分析：由于性能指标 B 的要求与 A 基本一致，因此采用和 A 一样的校正环节。1018.534000ssG 108. 01604. 0sssGc 108. 01018.531604. 0400 sssssGsradc55. 4 50符合要求。%27p（2）减小误差）减小误差由条件（7） （8）得，输入信号为正弦信号，表达式为： tsu4sin25为使稳态误差，采用顺馈控制减小稳态误差，mr
9、adess4 1604. 0108. 0sssGb这样可以使稳态误差符合设计要求。二、计算机辅助设计二、计算机辅助设计1.对于性能指标对于性能指标 A（1）被控对象开环被控对象开环 simulink 图图（2）被控对象的开环）被控对象的开环 bode 图图40053.018s +s2Transfer Fcn1In11Out1Bode DiagramFrequency (rad/s)-40-20020406080100System: sys Frequency (rad/s): 2.74 Magnitude (dB): 0.0234Magnitude (dB)10-210-1100101102-
10、180-135-90System: sys Frequency (rad/s): 2.73 Phase (deg): -179Phase (deg)（3）校正以后的校正以后的 simulink 图图（4）校正以后的校正以后的 bode 图图40053.018s +s2Transfer Fcn1 In11 Out10.604s+10.08s+1 Transfer Fcn110-1100101102103-180-150-120System: sys Frequency (rad/s): 4.55 Phase (deg): -130Phase (deg)Bode DiagramFrequency
11、(rad/s)-100-80-60-40-20020406080100System: sys Frequency (rad/s): 4.55 Magnitude (dB): 0.0177Magnitude (dB)（5）最后校正完成的闭环最后校正完成的闭环 simulink 图图（6）阶跃响应时的仿真曲线阶跃响应时的仿真曲线Step0.604s+10.08s+1 Transfer Fcn40053.018s +s2Transfer Fcn1Scope01234567891000.20.40.60.811.21.4t/sc(t)response2.性能指标性能指标 B（1）被控对象开环被控对象开
12、环 simulink 图图（2）被控对象的开环被控对象的开环 bode 图图40053.018s +s2Transfer Fcn1 In11 Out1（3）校正以后的校正以后的 simulink 图图Bode DiagramFrequency (rad/s)-40-20020406080100System: sys Frequency (rad/s): 2.74 Magnitude (dB): 0.0234Magnitude (dB)10-210-1100101102-180-135-90System: sys Frequency (rad/s): 2.73 Phase (deg): -179
13、Phase (deg)40053.018s +s2Transfer Fcn1In11Out10.604s+10.08s+1Transfer Fcn1（4）超前校正以后的超前校正以后的 bode 图图（5）超前校正之后的闭环）超前校正之后的闭环 simulink 图图10-1100101102103-180-150-120System: sys Frequency (rad/s): 4.55 Phase (deg): -130Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/s)-100-80-60-40-20020406080100System: sys Freque
14、ncy (rad/s): 4.55 Magnitude (dB): 0.0177Magnitude (dB)（6）阶跃响应时的仿真曲线阶跃响应时的仿真曲线Sine Wave0.604s+10.08s+1Transfer Fcn40053.018s +s2Transfer Fcn1Scope01234567891000.20.40.60.811.21.4t/sc(t)response（7）正弦响应的仿真曲线）正弦响应的仿真曲线输入信号输出信号012345678910-25-20-15-10-50510152025t/sc(t)response012345678910-40-30-20-10010
15、203040t/sc(t)response误差信号（8）用正弦信号输入时，采用顺馈控制的）用正弦信号输入时，采用顺馈控制的 simulink 图图0.604s+10.08s+1Transfer Fcn40053.018s +s2Transfer Fcn1Scope0.08s+10.604s+1Transfer Fcn2Sine WaveScope1012345678910-30-20-100102030t/sc(t)response（9）加入顺馈控制之后的正弦响应的仿真曲线）加入顺馈控制之后的正弦响应的仿真曲线输出信号012345678910-25-20-15-10-50510152025t/sc(t)response-1-0.500.511.522.533.51520253035t/sc(t)response误差信号曲线由输出信号和误差信号的曲线可以看出，输出的正弦信号很平稳，且满足稳态误差的要求。mradess4三
