水溫控制系統(tǒng)校正裝置設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上自動控制原理課程設計題目：水溫控制系統(tǒng)校正裝置設計專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：班級：學號：指導教師：職稱：專業(yè)鄭州航空工業(yè)管理學院機電工程學院2017年12月目錄1、設計目的1、收集和查閱有關資料，獨立完成所承擔的設計課題的全部內容；2、通過課程設計進一步掌握自動控制原理課程的相關知識與運用，培養(yǎng)解決實際問題的能力；3、理解自動控制系統(tǒng)中可采用合適的方法，使系統(tǒng)性能達到要求；4、初步掌握設計原則、設計方法、設計步驟和設計規(guī)范的應用；5、初步掌握對工程設計方案進行選擇和分析的方法，繪圖，撰寫報告。6、水溫控制系統(tǒng)為一單位負反饋控制系統(tǒng)，其中被控制對象的傳遞函數(shù)為 ,用

2、串聯(lián)校正的頻率域方法對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設計(用超前、滯后和滯后-超前校正三種方法并進行三種方法的比較)，校正后的系統(tǒng)滿足在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù),相位裕量的要求。2、設計思路對于一個控制系統(tǒng)，人們期望它能滿足一定的性能指標需求。如果系統(tǒng)達不到期望的性能指標，就需要對其進行校正。所謂的控制系統(tǒng)校正，就是指在系統(tǒng)的基本部分（通常指對象、執(zhí)行機構、測量元件等主要部件）已經(jīng)確定的條件下，設計校正裝置的傳遞函數(shù)或調整系統(tǒng)放大倍數(shù)，使系統(tǒng)性能得到改善，從而滿足各項指標要求。當一個系統(tǒng)的動態(tài)響應是滿足要求的，為改善穩(wěn)態(tài)性能，而又不影響其動態(tài)響應時，可采用超前、滯后和滯后-超前校正等方式,

3、通過串聯(lián)校正裝置，改善其帶寬和幅頻特性最終改善動態(tài)性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按照模擬出來的仿真圖在進行對比。3、設計步驟3.1、串聯(lián)超前校正法3.1.1用頻率法設計用超前校正裝置的步驟為：1、根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益2、繪制滿足由步驟（1）確定的值下的系統(tǒng)Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量。3、確定為使相角裕量達到要求值，所需增加的超前相角，即式中，為要求的相角裕量；是因為考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量：當未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec時，?。划斘葱Ｕ到y(tǒng)中頻段斜率為-60dB/dec時，取。4、令超前校正網(wǎng)絡的最大超前相角，則由下

4、式求出校正裝置的參數(shù)5、在Bode圖上確定未校正系統(tǒng)幅值為時的頻率，該頻率作為校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率，即。6、由確定校正裝置的轉折頻率超前校正裝置的傳遞函數(shù)為7、將系統(tǒng)放大倍數(shù)增大倍，已補償超前校正裝置引起的幅值衰減，即。8、畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為9、檢驗系統(tǒng)的性能指標，若不滿足要求，可增大值，從第（3）步起重新計算。 3.1.2要求系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，可以確定，作出時未矯正的Bode圖，如圖1所示。圖1校正前系統(tǒng)的Bode圖（2）用MATLAB程序繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖，如圖2所示。MATLAB程序： num=20;f1=1,0;f2=0.1,1;

5、den=conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f) S=allmargin(f)圖2 MATLAB繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖（3）由程序可以看出系統(tǒng)的剪切頻率為，相應的相角裕量為，幅值裕量。說明系統(tǒng)的相角裕量小于要求值，系統(tǒng)的動態(tài)響應會有嚴重的振蕩，為達到所要求的性能指標，設計采用串聯(lián)超前校正。校正后在系統(tǒng)剪切頻率處的超前相角為因此校正后系統(tǒng)的剪切頻率處，校正網(wǎng)絡的對數(shù)幅值, 可計算出未校正系統(tǒng)對數(shù)幅值為處的頻率，即可作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率校正網(wǎng)絡的兩個轉折頻率校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)用MATLAB程序繪制校正后系統(tǒng)Bode圖，如圖1-3所示：MATLAB程序：

6、 num=20*0.121,1; f1=1,0;f2=0.1,1;f3=0.059,1; den=conv(f3,conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f) S=allmargin(f)圖3 MATLAB繪制校正后系統(tǒng)的Bode圖校正后系統(tǒng)的相角裕量幅值裕量，滿足要求的性能指標。3.2、串聯(lián)滯后校正3.2.1 用頻率法設計用超前校正裝置的步驟為：1、根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能確定系統(tǒng)的開環(huán)增益2、根據(jù)已確定的值，繪制未校正系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量、幅值裕量。3、在Bode圖上求出未校正系統(tǒng)相角裕量處的頻率，作為系統(tǒng)校正后的剪切頻率，用來補償校正滯后校正網(wǎng)絡

7、處的相角滯后，通常取。4、令未校正系統(tǒng)網(wǎng)絡在的幅值為，由此可以確定滯后網(wǎng)絡的值。5、為保證滯后校正網(wǎng)絡對系統(tǒng)在處的相頻特性基本不受影響，按下式確定滯后校正網(wǎng)絡的第二個轉折頻率為6、校正裝置的傳遞函數(shù)為7、畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖，并檢驗性能指標。若不滿足要求，可改變或值重新設計3.2.2 （1）當時繪制出未校正系統(tǒng)的Bode圖，如圖1所示。（2）用MATLAB程序繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖，如圖2所示。計算未校正系統(tǒng)的剪切頻率，系統(tǒng)的相角裕量為幅值裕量未校正系統(tǒng)中對應相角裕量為時的頻率，此頻率作為校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率。當時，令未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅值為，從而可求出校正裝置的參數(shù)，即得選取

8、滯后校正裝置的傳遞函數(shù)為：校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為繪出校正后系統(tǒng)的Bode圖，如圖4所示。MATLAB程序： num=20*1.42,1; f1=1,0;f2=0.1,1;f3=4.2,1; den=conv(f3,conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f) S=allmargin(f)圖4繪出校正后系統(tǒng)的Bode 圖校驗校正后系統(tǒng)的相角裕量為滿足要求。3.3、串聯(lián)滯后-超前校正作出未校正系統(tǒng)的Bode圖，其漸近線如圖2所示。由圖可以求得未校正系統(tǒng)的相角裕量為，故系統(tǒng)不是穩(wěn)定的。若串入超前校正，雖然可以增大相角裕量，滿足對的要求，幅值裕量卻無法同時滿足。若串入滯后校

9、正，利用它的高頻幅值衰減使剪切頻率前移，能夠滿足對的要求，但要同時滿足的要求，則很難實現(xiàn)，故采用滯后-超前校正。首先確定校正后系統(tǒng)的剪切頻率，一般可選未校正系統(tǒng)相頻特性上相角為的頻率作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率。從圖2中可以得出。確定超前部分的參數(shù)，由圖可知，未校正系統(tǒng)在，對數(shù)幅值為，為使校正后系統(tǒng)剪切頻率為，校正裝置在處產生的增益，在，點處畫一條斜率為，該直線與分貝線交點即為超前校正部分的第二個轉折頻率，從圖上可得取。選取，則超前部分的傳遞函數(shù)為為補償超前校正帶來的幅值衰減，可傳入一放大器，放大倍數(shù)。確定滯后校正部分的參數(shù)如下：滯后校正部分一般從經(jīng)驗出發(fā)估算，為使滯后部分對剪切頻率附近的相角影響

10、不大，選擇滯后校正部分的第二個轉折頻率為并選取，這滯后部分的第一個轉折頻率為滯后部分的傳遞函數(shù)為滯后超前校正裝置的傳遞函數(shù)為校正后系統(tǒng)的Bode圖如圖5所示MATLAB程序： num=20*0.847,1; f1=1,0;f2=0.001,1;f3=8.47,1; f=tf (num,den); den=conv(f3,conv(f1,f2);f=tf (num,den); bode(f)圖5校正后系統(tǒng)的Bode圖校正后的系統(tǒng)的相角裕量是滿足需求。4.仿真驗證4.1、串聯(lián)超前校正仿真圖6串聯(lián)超前校正Simulink模型圖圖7未校正的單位階躍相應曲線圖8校正后的單位階躍相應曲線4.2、串聯(lián)滯后校

11、正仿真圖9串聯(lián)滯后校正Simulink模型圖圖10校正后的單位階躍曲線4.3、串聯(lián)滯后-超前校正仿真圖11串聯(lián)滯后-超前校正Simulink模型圖圖12校正后的單位階躍響應曲線5、方法比較串聯(lián)超前校正裝置使得系統(tǒng)的相角裕量增大，從而降低了系統(tǒng)響應的超調量；增加了系統(tǒng)的頻帶寬度，使系統(tǒng)的響應速度加快。在保持穩(wěn)態(tài)精度不變的前提下，滯后校正裝置減小了未校正系統(tǒng)在開環(huán)剪切頻率上的幅值，從而增大了系統(tǒng)的相角裕量，減小了動態(tài)響應的超調量。應用頻率法設計滯后超前校正裝置，其中超前校正部分可以提高系統(tǒng)的相角裕量，同時使頻帶變寬，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。滯后校正部分則主要用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。6、設計結論串聯(lián)滯后校

12、正和串聯(lián)超前校正雖然都具有改善系統(tǒng)動態(tài)性能的能力，但二者所用的方法完全不同，超前校正是利用超前校正裝置的超前相角來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性滯后校正是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。而滯后-超前校正去兩者之長補兩者之短。通過這次課程設計，鞏固了課堂上學到的知識，彌補了一些知識空白，同時也提高了自己的自學能力和翻閱資料的能力及獨立思考的能力，為后續(xù)的課程設計和畢業(yè)設計打下基礎7、參考文獻1 胡壽松.自動控制原理.修訂版.北京：國防工業(yè)出版社，1987.2 謝克明.現(xiàn)代控制理論基礎.2版.北京：北京工業(yè)大學出版社，2000.3 金以慧.過程控制.北京:清華大學出版社,1993.4

13、薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言應用北京：清華大學出版社，1996.成績評定標準項目分值A優(yōu)秀（100X90）B良好（90X80）C中等（80X70）D及格70X60E不及格（X60）評分參考標準參考標準B參考標準參考標準參考標準學習態(tài)度15學習態(tài)度認真?？茖W作風嚴謹，嚴格保證設計時間并按任務書中規(guī)定的進度開展各項工作學習態(tài)度認真?？茖W作風嚴謹，能按期圓滿完成任務書規(guī)定的任務學習態(tài)度尚好，遵守組織紀律，基本保證設計時間完成各項工作學習態(tài)度尚好，能遵守組織紀律，能按期完成任務學習馬虎，紀律渙散，工作作風不嚴謹，不能保證設計時間和進度技術水平與實際能力35設計合理、設計任務能夠全部較

14、好完成且?guī)缀鯖]有錯誤，對相關工作原理的分析透徹，所畫電路圖完整無誤，計算過程完整且基本沒有錯誤，對設計結果的分析正確，有很強的實際動手能力、調查調研非常合理、可信。設計合理、設計任務能夠較好完成但有少量錯誤，對相關工作原理的分析完善，所畫電路圖完整但有少量錯誤，計算過程完整但有少量錯誤，對設計結果的分析合理，有較強的實際動手能力、調查調研比較合理、可信。設計合理、設計任務能夠完成但有一定錯誤，對相關工作原理的分析基本完善，所畫電路圖基本完整，計算過程基本完整但有一定錯誤，對設計結果的分析基本合理，有一定的實際動手能力、調查調研比較可信。設計基本合理，設計工作基本完成但錯誤較多，基本能分析相關工作原理，所畫電路圖錯誤較多，能完成主要計算過程基本完整但錯誤較多，未對設計結果進行分析。設計不合理，基本上屬抄襲，實際動手能力