1、自动控制原理课程设计报告范本模板自 动 控 制 原 理课 程 设 计（理工类)课程名称: 自动控制原理 专业班级: 08自动化（1）班 学生学号： 0804110601 学生姓名： 丁丽华 所属院部: 机电工程学院 指导教师: 陈丽换 2009 2010 学年 第二学期 金陵科技学院教务处制金 陵 科 技 学 院自动控制原理课程设计任务书课程序号 32 课程编号04184500实践序号 10 设计名称 自动控制原理课程设计适用年级、专业 08自动化 时间 1 周一、设计目的：1、了解控制系统设计的一般方法、步骤。2、掌握对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析的方法。3、掌握利用MA
2、TLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。4、提高分析问题解决问题的能力。二、设计内容与要求:设计内容：1、阅读有关资料。2、对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析。3、绘制根轨迹图、Bode图、Nyquist图。4、设计校正系统,满足工作要求。设计条件： 1、已知单位负反馈系统被控制对象的传递函数为设计要求：1、能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。2、能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标.3、能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿 真软件，分析系统的性能.设计题目： ，试用频率法设计串联滞后-超前校正装置，使系统的相角
3、裕量，静态速度误差系数,截止频率不低于设计步骤:1、静态速度误差系数,即当S0时，=10，解得K0=20s1。即被控对象的开环传递函数：G（S)= 。2、滞后校正器的传递函数为：GC1(S)= 根据题目要求，取校正后系统的截止频率WC=1.5rad/s,先试取b=0。105，编写求滞后校正器的传递函数的MATLAB的程序如下: wc=1。5;k0=20；n1=1； d1=conv(conv（1 0，1 1)，1 2）;b=0.105;T=1/（0.1wc）;B=bT；Gc1=tf(B 1,T 1)将程序输入MATLAB Command Window后，并按回车,Command Window出现
4、如下代数式: 由式可知：b=0.105,T=63。33.3、求超前校正器的传递函数，而已知串联有滞后校正器的传递函数为:G(S)Gc1(S)= 根据校正后系统的传递函数，编写求超前校正器的传递函数的MATLAB程序，其中调用了求超前校正器传递函数的函数leadc()，leadc.m保存在matlab6.5work文件夹下，leadc。m编制如下：function Gc=leadc(key,sope，vars）% MATLAB FUNCTION PROGRAM leadc。mif key=1 gama=vars（1)；gama1=gama+5； mag，phase，w=bode(sope）； m
5、u,pu=bode(sope，w）； gam=gama1*pi/180； alpha=（1-sin（gam）/（1+sin(gam）)； adb=20*log10(mu）； am=10*log10（alpha); wc=spline（adb，w,am）； T=1/（wcsqrt（alpha); alphat=alphaT； Gc=tf（T 1,alphat 1）；elseif key=2 wc=vars(1)； num=sope.num1；den=sope.den1; na=polyval(num，jwc)； da=polyval(den，jwc); g=na/da; g1=abs(g）; h
6、=20*log10（g1); a=10(h/10)； wm=wc; T=1/(wm（a)(1/2）); alphat=aT； Gc=tf（T 1，alphat 1)；elseif key=3 gama=vars(1）；wc=vars（2）；gama1=gama+5; num=sope。num1;den=sope.den1； ngv=polyval（num,j*wc）； dgv=polyval（den，j*wc）; g=ngv/dgv； thetag=angle(g）； thetag_d=thetag*180/pi； mg=abs(g）； gama_rad=gama1pi/180； z=（1+m
7、g*cos（gama_radthetag）)/(-wc*mgsin(gama_radthetag）); p=（cos(gama_rad-thetag）+mg）/（wcsin（gama_rad-thetag)； nc=z,1；dc=p，1; Gc=tf（nc,dc）；End在Command Window 中编写下列程序： n1=conv(0 20,6.667 1）;d1=conv(1 0，1 1);d2=conv(1 2，63。33 1);d3=conv(d1，d2）;sope=tf（n1,d3）；wc=1.5；Gc=leadc(2,sope，wc)写完后，按回车，出现如下代码： ，即超前传递函
8、数为Gc2(S）= ,可得a=10.21，T=0。2087。故校正后的开环系统总传递函数为：G(S) Gc1（S） Gc2(S）= 验证校正后的闭环系统的性能指标，画出bode图：由图可知：剪切频率为Wc=1。54rad/s,相角裕量为= 45，符合设计要求。4、用MATLAB求校正前后系统的特征根： 20先写出校正前系统单位负反馈传递函数：（S）= S3+3S2+2S+20故在Commmand Window 中写入：p=1 3 2 20;roots（p） 回车后得到：ans = -3。8371 0.4186 + 2.2443i 0.4186 2。2443i由于校正前系统单位负反馈得特征方程有
9、右半平面的根，故校正前的闭环系统不稳定. 写出校正后系统单位负反馈传递函数: 11。5290S2+7.1480S+0.8128（S)= S5+7。8058*S4+16.4931S3+21.3676*S2+7.2994*S+ 0。8128 故在Commmand Window 中写入p=1。00007。8058 16.4931 21.3676 7.2994 0。8128；roots(p)回车后得到:p = 1.0000 7.8058 16。4931 21。3676 7.2994 0.8128ans = 5。4570 -0.9582 + 1。3694i 0。9582 1。3694i 0。2163 +
10、 0。0810i -0。2163 0.0810i 由于校正后系统单位负反馈得特征方程没有右半平面的根，故校正后的闭环系统稳定。5、用MATLAB作出系统校正前和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，并求出系统校正前和校正后的动态性能指标、tr、tp、ts以及稳态误差的值：1校正前的单位阶跃响应:编写的程序如下:n1=20;d1=conv(conv（1 0，1 1），1 2）；s1=tf（n1,d1)；sope=s1; sys=feedback（sope,1);step（sys）y,t=step(sys)；得到的单位阶跃响应曲线图：2校正后的单位阶跃响应：编写的程序如下：
11、n1=20；d1=conv（conv(1 0,1 1）,1 2）；s1=tf（n1,d1）;s2=tf(6.667 1，63.33 1）；s3=tf(2。13 1,0.2087 1);sope=s1s2s3;sys=feedback(sope,1）；step（sys)y,t=step（sys）;得到的单位阶跃响应曲线图:3校正前的单位冲击响应：编写的程序如下：n1=20;d1=conv（conv（1 0，1 1），1 2）；s1=tf（n1，d1）；sope=s1;sys=feedback(sope,1);impulse（sys)y，t=impulse(sys)；得到的单位冲击响应曲线图：4校
12、正后的单位冲击响应:编写的程序如下：n1=20；d1=conv（conv(1 0，1 1)，1 2）；s1=tf（n1，d1）；s2=tf（6。667 1,63。33 1）；s3=tf（2。13 1,0。2087 1)；sope=s1s2s3；sys=feedback（sope，1)；impulse（sys）y，t=impulse(sys）；得到的单位冲击响应曲线图:5校正前的单位斜坡响应：在Simulink 窗口里菜单方式下的单位斜坡响应的动态结构图如下：在Command Window 中输入 plot（tout,dimout），回车后得到的波形图为：6校正后的单位斜坡响应：在Simulin
13、k 窗口里菜单方式下的单位斜坡响应的动态结构图如下：在Command Window 中输入 plot(tout，bimout),回车后得到的波形图为：由于校正前的系统为不稳定系统，故不讨论其动态性能指标；而校正后的系统是稳定的系统，其超调量和峰值时间可由下列图得到：超调量为22。上升时间tr为：0.806s由下图可得到校正后系统的调节时间ts（5）:调节时间ts(5%）=6。03s由下图可得到校正后系统的调节时间ts（2%）: 调节时间ts(2%)=14。4s右下图可以得到校正后系统的稳态误差值：稳态误差ess=1-1=0.单位脉冲、阶跃、斜坡响应曲线的关系是:单位脉冲响应的积分是单位阶跃响应
14、曲线,单位阶跃响应的积分是单位斜坡响应。6、绘制系统校正前与校正后的根轨迹，并求其分离点、汇合点及虚轴交点的坐标和相应的增益K值，得出系统稳定时增益K的变化范围：求校正前的根轨迹的程序如下：num=1;den=1 3 2 0;rlocus（num,den,k)校正前的根轨迹的分离点和汇合点由下图得：分离点d=0。423增益K*=0.385校正前的根轨迹虚轴的交点由下图得：与虚轴的交点w=+1。41、-1.41，增益K*=6.00校正前系统稳定时增益K*的变化范围是K6，而题目中的K=10，校正前的闭环系统不稳定.求校正后的根轨迹的程序如下：n=conv(6。667 1，2.13 1);d1=c
15、onv（conv（1 0，1 1）,1 2）；d2=conv（63。33 1，0。2087 1);d=conv(d1，d2）；sys=tf(n,d）；rlocus(sys）校正后的根轨迹的分离点和汇合点右下图得:分离点d=1.41增益K=1。26校正后的根轨迹虚轴的交点由下图得:与虚轴的交点w=+3.47、-3.47，增益K*=79校正后闭环系统稳定时增益K的变化范围是K79,而题目中的K*=10，故校正后的闭环系统稳定. 7、绘制系统前校正与校正后的Nyquist图：求校正前的Nyquist图的函数如下：k=20;z=0；p=0 1 2;num,den=zp2tf（z,p，k）;figure
16、(1)nyquist(num，den,k)得到的校正前的Nyquist图为： 由上图可知，由于校正前的开环传递函数右半平面的极点数P=0,而R=1，闭环分布在右半S平面的极点数Z=RP=1,故校正前的闭环系统不稳定，有一个有半平面的根。求校正后的Nyquist图的函数如下：k=21.44;z=0.150; 0.47;p=0;-0.0158； -1； -2； 4。79 ；num，den=zp2tf（z，p，k）；figure（2）nyquist（num，den，k)得到的校正后的Nyquist图为:由上图可知，在w=0处开始补画两个半径无穷大的90的圆,由于校正后的开环传递函数右半平面的极点P=
17、0，而R=0，闭环分布在右半S平面的极点数Z=0,故校正后的闭环系统稳定。8、绘制系统前校正与校正后的Bode图:求校正前的Bode图的函数如下：k0=20；n1=1;d1=conv（conv(1 0，1 1)，1 2)；sope=tf(k0*n1，d1);figure（1)；margin(sope）得到的校正前的Bode图为:校正前的系统的幅值裕量Kg=10.3dB,相位穿越频率Wg=1.43rad/s,相角裕量= -28,幅值穿越频率Wc=1。43rad/s。由于相角裕量= 280,故系统稳定性能很好。并且校正后的系统的相角裕量、静态速度误差系数Kv、剪切频率Wc均符合题目设计的要求.故系统校正到此全部完成。 小组成员信息:班级：08级自动化（1） 丁丽华 0804110601 王凯 0804110603 王建英 0804110604 尹燕彬 0804110602自动控制原理 程 鹏主编基于MATLAB7.x的系统分析与设计控制系统（第二版）楼顺天 主编
