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1、 课程设计报告 题 目 控制系统设计与校正 课 程 名 称 自动控制原理课程设计 院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 10电气工程及其自动化（2）学 生 姓 名 孙炜 学 号 1004202030 课程设计地点 C214 课程设计学时 1周 指 导 教 师 陈丽换 目 录1、绪论31.1相关背景知识31.2课程设计目的31.3课程设计任务32、设计过程52.1确定校正传递函数52.1.1确定52.2利用MATLAB绘画未校正系统的bode图52.2.1、校正前Bode图52.2.2第一次超前校正后的Bode图62.2.3、第二次超前校正后的Bode图：73、三种响
2、应曲线103.1单位脉冲响应103.2、单位阶跃响应113.3、单位斜坡响应134、特征根155、系统的动态性能指标166、系统的稳态误差197、根轨迹208、系统的Nyquist图239、课程设计结束语2510、参考文献261、绪论1.1相关背景知识自动控制原理作为自动控制系列课程的实践性教学环节的教程，是新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材之一。该课程综合性强、知识覆盖面广,要求学生具有工程数学、电路等基础知识,以及较强的计算能力。而自动控制原理课程设计能够帮助学生进一步巩固自控基础知识,并结合电路、电子技术,加强实践操作能力，因此具有很重要的意义。 1.2课程设计目的1.掌握自动控制原
3、理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（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。2.学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。 1.3课程设计任务设计题目：设原系统的开环传递函数为 要求校正后系统的相角裕度 ，静态速度误差系数， 试求串联超前校正装置。 要求：根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正（须写清楚校正过程），使其满足工作要求。然后利用MATLAB对未校正系统和校正后系统的性能进行比较分析，针对每一问题分析时应写出程序，输出结果图和
4、结论。最后还应写出心得体会与参考文献等。具体要求如下： 1.首先， 根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T，等的值。 2.利用MATLAB函数求出校正前与校正后系统的特征根，并判断其系统是否稳定，为什么? 3.利用MATLAB作出系统校正前与校正后的单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，分析这三种曲线的关系？求出系统校正前与校正后的动态性能指标%、tr、tp、ts以及稳态误差的值，并分析 其有何变化？ 4.绘制系统校正前与校正后的根轨迹图，并求其分离点、汇合点及与虚
5、轴交点的坐标和相应点的增益值，得出系统稳定时增益的变化范围。绘制系统校正前与校正后的Nyquist图，判断系统的稳定性，并说明理由？ 5.绘制系统校正前与校正后的Bode图，计算系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率。判断系统的稳定性，并说明理由？2、设计过程2.1确定校正传递函数2.1.1确定 = 2.2利用MATLAB绘画未校正系统的bode图2.2.1、校正前Bode图利用matlab进行编程，用程序：num=0 0 0 10;den=0.1 0.7 1 0;bode(num,den);可得到Bode图 图1、矫正前系统Bode图2.2.2第一次超前校正后的Bode图程序：
6、phy=65; phy1=phy+10;phy2=phy1*pi/180; （选取校正装置时，设定要达到的相角度为65度。取5度的补偿）a1=(1+sin(phy2)/(1-sin(phy2) （求校正网络传递函数中的参数a1)M1=1/sqrt(a1);m1,p1,w1=bode(G);wc1=spline(m1,w1,M1);T1=1/(wc1*sqrt(a1) （求校正网络传递函数中的参数a1) gc1=tf(a1*T1 1,T1 1) （求校正网络的开环传递函数) sys1=G*gc1; （求经过一次校正后系统的开环传递函数）gm1,pm1,wcg1,wcp1=margin(sys1)
7、 （求经第一级超前校正网络的传递函数中幅值裕 量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率）输出校正装置传递函数及其参数：a1 = 57.6955T1 = 0.0153Transfer function:0.8821 s + 1-0.01529 s + 1输出经一次超前网络校正后系统的幅值裕度、相角裕度、穿越频率、剪切频率gm1 = 4.7519pm1 = 28.1721wcg1 = 19.6895wcp1 = 8.6214 margin(sys1) 【输出一次校正后 的bode图】2.2.3、第二次超前校正后的Bode图： wc2=18.5;m2,p2,w2=bode(sys1);M2=spli
8、ne(w2,m2,wc2);a2=M2(-2)T2=1/(wc2*sqrt(a2)Gc2=tf(a2*T2 1,T2 1)sys2=sys1*Gc2;Gm2,Pm2,Wcg2,Wcp2=margin(sys2)输出经二次超前网络校正后系统的幅值裕度、相角裕度、穿越频率、剪切频率a2 = 17.5862T2 = 0.0129 Transfer function:0.2267 s + 1-0.01289 s + 1Gm2 = 7.4523Pm2 = 65.1847Wcg2 = 72.6839Wcp2 = 18.4914 margin(sys2) 【输出二次校正后 的bode图】可求得校正后的传递函
9、数为= 分析：把程序中输出的值与校正前的bode图相结合，可以看出原传递函数可以看出系统是很不稳定的。 通过bode图及程序计算系得的统参数分析一次校正后系统的稳定性：由前面算第一级网络的传递函数以及第一次校正后系统的幅值裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率程序后的输出结果可得，与校正前相比稳定了很多，但还是没有达到题目的要求，仍需进一步校正。因此还需第二级超前校正网络对其进行校正。通过bode图及程序计算系得的统参数分析二次校正后系统的稳定性：由前面算第二级网络的传递函数以及第二次校正后系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率程序后的输出结果可得，与一次校正后的系统相比更为稳定，并且
10、已经满足了题目的要求。根据课本上的介绍可知，经过两级超前网络的校正后，系统已经达到了稳定状态。3、三种响应曲线 3.1单位脉冲响应校正前的单位脉冲响应：程序： num=10;den=conv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);G=tf(num,den);closys=feedback(G,1);impulse(closys)系统校正前单位脉冲响应：校正后的单位脉冲响应曲线：程序： num=conv(10,conv(0.8821 1,0.2267 1);den=conv(1 0,conv(0.5 1,conv(0.01529 1,conv(0.01289,0.2 1);G=tf(num
11、,den);Gc=feedback(G,1);impulse(Gc) 校正后的单位脉冲响应图如下： 3.2、单位阶跃响应校正前的单位阶跃响应曲线：程序： num=10;den=conv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);G=tf(num,den);closys=feedback(G,1);step(closys) 系统校正前的单位阶跃响应图如下：校正后的单位阶跃响应：程序： num=conv(10,conv(0.8821 1,0.2267 1);den=conv(1 0,conv(0.5 1,conv(0.01529 1,conv(0.01289,0.2 1);G=tf(num,de
12、n);Gc=feedback(G,1);step(Gc）；系统校正后的单位阶跃响应曲线图如下：3.3、单位斜坡响应校正前的单位斜坡响应：程序： num=0 0 0 10;den=1.125 1.125 1 0;step(num,den);grid;title(校正前单位斜坡响应);校正前单位斜坡响应曲线图如下：校正后的单位斜坡响应：程序： num=0 0 0 100 10;den=12.5 112.625 101.125 1 0;step(num,den);grid;title(校正后单位斜坡响应); 系统校正后的单位斜坡响应曲线图如下：4、特征根校正前的特征根程序：num=10;den=co
13、nv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);G=tf(num,den);Gc=feedback(G,1);num,den=tfdata(Gc,v);r=roots(den);disp(r)输出结果： -7.4572 0.2286 + 3.6548i 0.2286 - 3.6548i根据程序计算得的校正前的特征根来判断系统稳定性：由程序输出结果可知系统校正前有三个特征根，且有两个特征根的实部为正值。系统稳定的充分必要条件为系统特征方程的所有根都具有负实部，或者说都位于s平面的虚轴之左。所有校正前的系统是不稳定的。系统校正后的特征根：num=conv(10,conv(0.8821 1,0.2267 1);den=conv(10,conv(0.51,conv(0.015291,conv(0.0128
