自动控制原理课程设计

专    业：        自动化          

设计题目：    控制系统的综合设计  

班级：自动化0943

学生姓名：XXX

学号：XX

指导教师：   XX  

分院院长：  XXX

教研室主任：XX     

电气工程学院

目录

第一章 课程设计内容与要求分析... 1

1.1设计内容... 1

1.2 设计要求... 1

1.3 Matlab软件... 2

1.3.1基本功能... 2

1.3.2应用... 3

第二章 控制系统程序设计... 4

2.1 校正装置计算方法... 4

2.2 课程设计要求计算... 4

第三章  利用Matlab仿真软件进行辅助分析... 6

3.1校正系统的传递函数... 6

3.2用Matlab仿真... 6

3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应... 10

3.2.1原系统单位阶跃响应... 10

3.2.2校正后系统单位阶跃响应... 11

3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较... 12

3.4硬件设计... 13

3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图... 14

课程设计心得体会... 16

参考文献... 18

第一章 课程设计内容与要求分析

1.1设计内容

针对二阶系统

，

利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S接通时为超前校正装置，其传递函数

，

其中

，，，

“-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。

 

1.2 设计要求

1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差，开环截止频率wc’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°；

2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数；

3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线；

4）设校正装置R1=100K，R2=R3=50K，根据计算结果确定有源超前校正网络元件参数R4、C值；

5）绘制引入校正装置后系统电路图（设给定的电阻和电容：R=100K，C=1mF、10mF若干个）；

6）利用Matlab仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线,并验算设计结果；

7）在Matlab-Simulink下建立系统仿真模型，求校正前、后系

统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较；

8）利用自动控制原理实验箱完成硬件设计过程，包括：搭建校正前后系统电路、输入阶跃信号并通过示波器观察校正前后系统输出响应曲线。

1.3 Matlab软件

1.3.1基本功能

　　 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。　 　　

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连  matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 　　

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

1.3.2应用

1、MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： 　　

●数值分析 　

●数值和符号计算 　　

●工程与科学绘图 　　

●控制系统的设计与仿真 　　

●数字图像处理技术 　　

●数字信号处理技术 　　

●通讯系统设计与仿真

●财务与金融工程　 

2、MATLAB在通讯系统设计与仿真的应用

　　MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

第二章 控制系统程序设计

2.1 校正装置计算方法

设超前校正装置传递函数为：

，rd>1

若校正后系统的截止频率wc¢=wm，原系统在wc¢处的对数幅值为L(wc¢)，则：

由此得：

由，得时间常数T为：    

2.2 课程设计要求计算

解答过程：对于Ⅰ型系统，

，

得  故取 K=10。

因此

要求取：

则有L)+10lg rd=0。

即 20lg10-20lg-20lg+10lg rd=0 

其相位欲度：

。

校正后传递函数：

D=

因此

C=

第三章  利用Matlab仿真软件进行辅助分析

3.1校正系统的传递函数

设：原系统传递函数为

，

校正装置传递函数为

，

则校正后传递函数为

3.2用Matlab仿真

num=[10];

den=[1,1,0];

W=tf(num,den);                   %求原系统传递函数W(s)

bode(W);                        %绘制原系统对数频率特性

margin(W);                      %求原系统幅值裕度、相位裕度、相位穿越频率和幅值穿越频率

[Gm,Pm,wj,wc]=margin(W);

grid;                           %绘制网格线

令a=1:进行仿真，得到下图：校正前系统伯德图

图3-1 校正前系统伯德图

numc=[b,1];

denc=[c,1];

Wc=tf(numc,denc);                  %求校正装置传递函数Wc(s)

bode(Wc);                         %绘制校正装置对数频率特性

    grid;                           %绘制网格线（该条指令可有可无）

已知求得：b=1/2.412（0.46）,c=1/7.236。进行仿真得下图：系统校正装置伯德图。

图3-2 系统校正装置伯德图

numh=conv(num,numc);             

denh=conv(den,denc);

Wh=tf(numh,denh);                 %求校正后系统传递函数W¢(s)

bode(Wh);                         %绘制校正后系统对数频率特性

margin(Wh);                      %求校正后系统幅值裕度、相位裕度、相位穿越频率和幅值穿越频率

[Gm,Pm,wj,wc]=margin(Wh);

    grid;                           %绘制网格线（该条指令可有可无

图3-3 校正后系统伯德图

bode(W,':');                   %绘制原系统对数频率特性

hold on;                     %保留曲线，以便在同一坐标系内绘制其他特性

bode(Wc,'-.');                 %绘制校正装置对数频率特性

hold on;                     %保留曲线，以便在同一坐标系内绘制其他特性

bode(Wh);                   %绘制校正后系统对数频率特性

grid;                        %绘制网格线（该条指令可有可无）

图3-4 校正前、后校正装置伯德图

3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应

3.2.1原系统单位阶跃响应

原系统仿真模型如图3-5所示。

图3-5 校正前系统图

系统运行后，其输出阶跃响应如图3-6所示：

图3-6 校正前输出阶跃响应曲线

3.2.2校正后系统单位阶跃响应

校正后系统仿真模型如图3-7所示：

图3-7 矫正后系统图

系统运行后，其输出阶跃响应如图3-8所示：

图3-8 校正后系统阶跃响应波形图

3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较

仿真模型如图3-9所示：

图3-9 校正前、后系统仿真模型

系统运行后，其输出阶跃响应如图3-10所示：

图3-10 校正前、后系统输出阶跃响应波形图

3.4硬件设计

绘制硬件校正装置原理图：

图3-11 硬件校正装置原理图

3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图

未校正系统硬件波形：

图3-12 未校正系统硬件仿真波形图

校正后系统硬件波形：

图3-13 校正后系统硬件波形图

课程设计心得体会

通过自动控制原理课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这个方案使用了Matlab软件，使我们有掌握了一个软件的应用。

我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个原理的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多原理的功能。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末的课程设计对我们的作用是非常大的。

我想说，设计确实有些困难，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我认为无论干什么，只要认真去做，一定会有好结果的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。

虽然不是第一次做课程设计了，但是设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变。

在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

总结人：徐玉洁

2011.12.4

参考文献

 [1] 史国生主编. 电气控制与可编程控制器技术.北京:化学工业出版社.2004

[2] 王永华.现代电气及可编程控制技术. 北京:北京航空航天大学出版社.2002

[3] 邓则名.电器与可编程控制器应用技术.北京:机械工业出版社.1997

[4] 徐世许.可编程序控制器原理应用网络.合肥:中国科学技术大学出版社.2001

[5] 王泽元.可编程序控制器实验指导书.长春:自编实验指导书.2010

评语及成绩

指导教师：

                                                      成绩：