自动控制课设.docx

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1、姓名:专业:任务起至日期:年 月 日至哈尔滨工业大学课程设计任务书院(系):班 号:课程设计题目：某仿真设备显示臂方位系统的设计与仿真已知技术参数和设计要求：技术要求：v =5700sT =50sZ(g) = 50已知控制系统结构图如下:工作量：1熟悉对系统的要求，查阅资料。2人工设计利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图，并确定出校正装置的传递函数。验算校正后系统是否满足性能指标要求。3计算机辅助设计利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。4确定校正装置的电路形式及其参数。5撰写设计报告。工作计划安排:同组设计者及分工:指导教师签字年 月 日教研室主任意见：教

2、研室主任签字年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。哈尔滨工业大学课程设”说明书(论文)某仿真设备显示臂方位系统的设计与仿真摘要：本文搭建了仿真设备显示臂方位系统，推导出了该系统的数学模型，并利用MATLAB进行了仿真分析，通过串联迟后一串联超前的校正方法，设计控制器使系统达到指标要求。关键字：数学模型；Matlab仿真；方位控制；0引言本文以某仿真设备显示臂方位系统为例，推导出了该系统的数学模型，并利用MATLAB进行了仿真分析，通过串联迟后一串联超前的校正方法，设计控制器使系统达到指标要求。1系统的组成系统由控制器、电机（包括脉宽调制功放及测速机）、码盘组成。其中电机用于驱动显示臂

3、，码盘用作位置检测元件。系统方框图如图所示。2数学模型建立被控对象的数学模型有两种基本方法,一种是物理机理建模,另一种是辨识方法建模。采用频率特性法辨识速度环的传递函数,得出被控对象的数学模型。控制系统的方框图如图所示。3系统校正显示臂方位系统是电流、速度、位置三环系统。对于多同路系统，可以先设计内环，再设计外环。系；在此校正环节因此度环（内环）和KK2-1KK2-V10r2-b50r2-i,ooKK2=1.200KK2=1.400KK21.1(X)0-2-1O123410101010101010Frequency (rad,s)由bode图可以看出，不同K1K2的取值对位置环开环传递函数的幅

4、频特性影响主要集中在高频段,并且对高频段影响不是很大，且随着匕占取值的增大，剪切频率也逐渐增大；对相频特性的影响在中频段，并且当Ki较大时，相角变化越平缓。在选择Ki、&时需要既考虑幅频特性和相频特性，也要考虑位置环的校正难易，因此选择KiK2=1/50；3.2位置环校正通过对速度环的设计得到了位置环的开环传递函数小_318oi(s)= s(0.007912s2 0.9286s 7.36)并将该开环传递函数改写为满足开环增益人和串联积分环节v的新的开环传递函数Go(s)5700 * 7,36s(0.007912s2 + 0.9286s + 7.36)画出Go(s)的bode图，如图所示。Bed

5、e Dsgram100806040202040-60-fi-135160-270Ffequercy (rad100-90System： sysFrequency tads) 164ggnhu由(dB)- 000865Syslcr sysFrequency tadts) :6.43bnfludc (dB)： 57System sysRequncy (rad s :6 4Rwse (deg): -130system: sysFrequency uidU): 14Phase (痴:233由图可以看出，G(s)的剪切频率为164rads,远大于设计耍求的仙=50rad/s； G0(s)的相角裕度为-2

6、33。+180。=-53。，不满足设计要求。如果采用串联迟后校正，求取满足相角裕度的剪切频哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)率为NG0(j) = -180o 50o + 0o = - 130。所对应的频率为仙=6.43rads 以初=6.43rads作为剪切频率，则不能满足牝=50rads的设计指标。也就是说，只用串联迟后校正不能同时满足相角裕度和剪切频率的设计要求。考虑到串联超前校正可以有效地增加相角裕度，所以，首先采用串联迟后校正，使系统的剪切频率满足或接近于设计要求。在此基础上，再采用串联超前校正，使相角裕度满足设计要求。Bode DiagramSystem sysFrequency

7、(rad*)： 22Magnitude (dB|: 39.235801 1 (s,3各IdGo(s)150System: sysFrequency (fads). 22Phase (deg) -1701O,101O,1O21O,1O4Frequencyrad考虑到做串联超前校正时，会使原系统的剪切频率增大，所以在做串联迟后校正时可以使剪切频率略小于设计要求。首先取o)c = 22rads,做串联迟后校正。由图看出，当赳=22rads时，G01(j)的幅值为39.2dBo由201ogB = 39.2dB,得到串联迟后校正参数0 = 91.2。 = c,得 = 05进而得到 = = 45.6o串联

8、迟后校正以后的开环传递函数为5700 * 7.360.5s+ 1. .*s(0.007912s2 + 0.9286s + 7.36) 45.6s + 1做出串联迟后校正以后的开环频率特性，如图。串联迟后校正以后，剪切频率m = 22.1rads,相角裕度Y = 4.5%Bode DiagramGm = 2.98 d8 (at 26.4 rad,s) , Rn = 4.5 deg (at 22.1 rads)Frequency (rad,s)对串联迟后校正以后的系统做串联超前校正。求出串联超前校正因提供的相角增量rn = Y - Yo + = 50。- 4.5 + 24.5 = 68继而，得到1

9、 Ct=sin m = sin 68o = 0.03781 + a m由一20108*=10108。=10108().03 78 = -14.2dB,求出未校正系统对数幅频特性的值为L0(3)=201ogG0(j) = -14.2dB的频率为新的剪切频率g = 49.6rads,同时31 = c = 49.6rads, 计算出1 =- = 0.104 T = = 0.0039m得到其超前校正装置为_ 0.104s + 1=0.0039s+1做出校正后的系统的bode图，如图。Bode Dagram150Gm = 16 CB (at 164 rad,s), fn = 50 9 deg (at 4

10、9 8 rad,s)1005OOSOOO 1(8PJ % 2u W1010210110010,Rquency (rad)由图看到，校正以后系统的剪切频率)c = 49.8rads,相角裕度 = 50.9。，满足设计要求。最后得到迟后一超前校正后的开环传递函数小5700 * 7.360.5s + 10.104s + 1=s(0.007912s2 + 0.9286s 7.36) * 45.6s + 1 * 0.0039s 13. 3参数计算根据前面一系列的校正计算，得到关系式Ki* 表(318K1*Kc = 5700 * 7.36令参数LRU,则K = 0.1, Kc = 1319.3o至此，所有

11、校正参数给出，具体传递函数为：速度环参数：Gsj(s) = 0.1, H1(s) = 0.2s；位置环参数：Gc= 1319.3*黑霁,H=1.哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）4 Simulink 仿真系统的开环传递函数表达式在simulink中描述，得到的开环传递函数的方框图是:在Mat lab中建立M文件：a, b, c d =linmod2 ( siml )g=tf(ss(a,b,c,d)margin(g);下面是simulink的开环传递函数的bode图:-10015090Bode DagramGm=i5.9dB(a 163rads). Rn50.7e10o210310由波特图观察

12、得到，相位裕度为50.7。略大于所需要的最低指标： = 50。；剪切频率为49.8rads也满足了剪切频率的指标：c = 50.1rads,所以整体开环传递函数为:G(s)5700 * 7.360.5s + 10.104s + 1*s(0.007912s2 + 0.9286s 7.36) 45.6s + 1 0.0039s 14 Simulink 仿真系统的开环传递函数表达式在simulink中描述，得到的开环传递函数的方框图是:在Mat lab中建立M文件：a, b, c d =linmod2 ( siml )g=tf(ss(a,b,c,d)margin(g);下面是simulink的开环传

13、递函数的bode图:-10015090Bode DagramGm=i5.9dB(a 163rads). Rn50.7e10o210310由波特图观察得到，相位裕度为50.7。略大于所需要的最低指标： = 50。；剪切频率为49.8rads也满足了剪切频率的指标：c = 50.1rads,所以整体开环传递函数为:G(s)5700 * 7.360.5s + 10.104s + 1*s(0.007912s2 + 0.9286s 7.36) 45.6s + 1 0.0039s 1C C 2.1k10.7k1,5k20.5k13193=再 x 诉x 而Xe其电路如下:四 .设计结论1 .通过这次课程设计，给了实际的工程背景，我学会了更好的应用已学的知识解决实际问题，虽然只是在仿真上得到解决，但我觉得非常自豪和欣慰。2 .本系统采用了比例+微分控制的方法改善了系统的动态性能。可以用放大器和电阻、电容网络，改善系统的动态特性。3 .通过对于内环bode图的特性的调节，我发现加微分负反馈对于减小系统的剪切频率有很大的帮助，虽然这次这个特点对于矫正产生了很大的影响，但我相信在以后的学习过程中，这个特点会起到一些帮助。4 .对于一个输入为正弦信号的闭环系统，其