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1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书课程名称：自动控制原理设计题目：控制系统的设计和仿真院班系：航天学院控制科学与工程系级：设 计 者 ：学号：指导教师：设计时间： 2013.2.25-2013.3.10哈尔滨工业大学一、设计题目与题目分析1. 设计题目1) 已知控制系统固有传递函数如下：?G( s) =?(0.003?+?1)(?2?+282.7 22 0.7?282.7?2?+ 1)(79622 0.0684?+ 1)7962) 系统性能指标要求：（1）超调量 20% ；（2）响应时间 ? 0.15?；?（3）稳态误差 ?0.01?；（4）最大速度 ?
2、=? 0.5?/?；?2. 题目分析根据系统固有传递函数和系统性能指标要求，确定设计思路如下： 首先完成使对系统无静差度和放大倍数的设计，稳态误差满足性能指标要求； 再根据 Bode 图设计串联校正环节， 限制系统的相角裕度和剪切频率，最终使系统对阶跃响应的超调量和调整时间符合性能指标要求。二、人工设计1. 稳态误差设计根据系统固有传递函数， 系统的无静差度符合要求， 且系统放大倍数应符合如下要求：得到：0.5601? 0.01 10 -3K 833.33在设计中，为方便计算并留有余量，取K = 1000 ，并代入系统固有传递函数。2. 串联校正环节设计绘制系统固有传递函数部分的Bode 图，
3、见附录。根据性能指标第12 条中对超调量和响应时间的规定，根据经验公式：1? =0.16 + 0.4(-1)?=?1? 2 + 1.5 (sin ?1sin ?sin ?-1) + 2.5 (2-1)计算得到对系统相角裕度和剪切频率的要求： 65.38 ? 45.55 rad/s根据系统固有传递函数，求出系统的相角裕度和剪切频率：= -80.6 ?=393 rad/s由于固有相角裕度过小而剪切频率远远大于性能指标要求，可先选用串联迟后校正：?1( ?)? =?+?1?+?1? 1取相角裕度= 70，根据原有Bode 图计算得到= 23.7 ，并选取 =0.24，T = 5.67，由此确定串联迟
4、后校正环节为：0.24?+ 1?1( ?)? =5.67?+ 1加入迟后校正后，再绘制Bode 图（见附录），得到：=64.9?=42.3 rad/s此时，剪切频率和相角裕度都比要求之偏小，应用串联超前校正：?+?1?2( ?)? =?+?1? 1取? = 10 ，根据 Bode 图得到?= 0.7，=0.024，T = 0.0166，由此确定串联超前校正环节为：?2( ?)? =0.024?+ 10.0166?+ 1加入串联迟后超前校正后得到系统新的Bode 图（见附录），并根据 Bode图，得到控制系统新的相角裕度和剪切频率为；=72.3?=50.8 rad/s知系统已经符合性能指标要求，
5、 并进行验算得到系统地超调量和响应时间为：= 17.99%?= 0.1287?经过验算，知控制系统经过串联迟后超前校正后，已经符合性能指标要求。三、计算机辅助设计控制系统固有部分的Simulink 仿真框图如图 1图 1绘制系统地 Bode 图如图 2Bode DiagramGm = -13.2 dB (at 187 rad/sec) , Pm = -80.6 deg (at 394 rad/sec)50d) B(eidutgn a M0-50-100-150-200-2500deg)-180 (easPh-360-540123451010101010Frequency (rad/sec)图
6、2根据人工设计所得到的校正环节，并根据仿真结果进行适当调试和修正，得到控制系统的最终校正环节，?1( ?)? =?2( ?)? =0.2222?+ 14?+ 10.018?+ 10.01059?+ 1并设计 Simulink 仿真框图如图 3图 3并得到控制系统校正后的Bode 图如图 4图 4根据得到的 Bode 图，得到系统的相角裕度和剪切频率为：=68.2?=71.2 rad/s应用 Simulink，对系统进行阶跃响应仿真测试，仿真框图如图5图 5并得到系统地阶跃响应曲线如图6图 6根据阶跃响应曲线，得到系统地超调量和响应时间分别为：= 5%?= 0.104?符合性能指标要求。继续对系
7、统进行速度信号仿真测试，仿真框图如图7 所示：图 7并得到仿真曲线如图8：图 8经过速度信号仿真测试，得到系统地稳态误差符合性能指标要求。四、校正装置电路图与电路参数串联迟后 -超前校正装置电路图如图9 所示：图 9根据校正装置中的电容电阻与校正环节的T、之间的关系，可以求得校正环节中：?1 =1? 2?=?10? 3?=?1? 4?=?100? ?1 = 18?2?=?1.06?3 ?=?222.2?4?=?40?五、设计结论经过人工设计和计算机辅助设计，最终得到串联校正环节为：0.2222?+ 1?1( ?)? =?2( ?)? =4?+ 10.018?+ 10.01059?+ 1并经过仿
8、真验证，得到系统的相角裕度和剪切频率为：=68.2?=71.2 rad/s并得到系统地性能指标为：= 5%?= 0.104?最终符合性能指标要求，完成对控制系统的校正。六、 心得体会在本次自动控制原理课程设计中， 我再次复习巩固了自动控制原理课程的理论基础知识， 对控制系统的频率分析法有了进一步的理解和掌握，更加熟悉了手工绘制控制系统传递函数Bode 图的方法，并能更加熟练的从中求取关键参数。在对控制系统进行校正设计时， 我更深入地理解了频率法设计串联校正环节的原理和步骤， 以及控制系统时域分析与频域分析的关系，时域指标和频域指标的转化。另外，在设计过程中强化了我的计算能力，锻炼了自己提出问题、解决问题 的能力和坚持认真的态度。在课程设计中使用Matlab/Simulink软件对控制系统进行设计与仿真，让我学会了用 Simulink 绘制系统的 Bode 图和响应曲线的方法，也体会到利用计算机软件分析和仿真控制系统的简便性和直观性。此次课程设计的题目具有实际的工程意义。在设计中不仅要在理论上满足设计要求， 同时要求在实际工程中具有可行性，设计要力求简约有效， 在实际中能够容易实现同时又能解决问题， 这使我们的对工程实际与理论的联系与差别有了更深刻的理解，对我们未来的学习和工作非常有意义。
