1、邢台学院物理系自动控制理论课程设计报告书设计题目：伯德图在随动系统的动态性能分析中的应用专 业： 自 动 化 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师： 2013 年 04 月 07 日邢台学院物理系课程设计任务书专业： 自动化 班级： 学生姓名 学号课程名称 电力拖动自动控制系 统 设计题目 伯德图在随动系统的动态性能分析中的应用设计目的、主要内容（参数、方法）及要求加深对随动系统的理解和应用，掌握用伯德图分析问题的方法，将所学应用到实际中去，根据伯德图研究随动系统的动态性能。随动控制系统要求有好的跟随性能。位置随动系统是非常典型的随动系统。对位置随动系统有较细致的介绍，伯德图由 MATLA
2、B 软件绘制，加深了对 MATLAB 软件的应用工作量2 周进度安排第 3 周到第 4 周3 月 11 日到 3 月 12 日 从自动控制原理及其应用查询相关资料，自己研究学习，不懂得地方查阅书籍，弄懂题目的内容和要求，明确自己的大体方向和思路3 月 13 日到 3 月 18 日 在网上查相关资料，着手开始设计自己的课程设计，参考前几届的设计，写上大体模板3 月 19 日到 3 月 24 日 详细自己的课程设计，进行文字编辑排版，整合编写，画图总结主要参考资料胡寿松. 自动控制原理. 科学出版社黄坚,自动控制原理及其应用, 高等教育出版社谢红卫. 现代控制系统. 高等教育出版社黄忠霖. 自动控
3、制原理的 MATLAB 实现. 国防工业出版社指导教师签字 系主任签字2013 年 04 月 07 日摘 要随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。一般来说，随动控制系统要求有好的跟随性能。位置随动系统是非常典型的随动系统，是个位置闭环反馈系统，系统中具有位置给定，位置检测和位置反馈环节，这种系统的各种参数都是连续变化的模
4、拟量，其位置检测可用电位器，自整角机，旋转变压器，感应同步器等。位置随动系统中的给只给定量是经常变动的，是一个随即量,并要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应具有快速性，灵活性和准确性。本次课程设计以位置随动系统为例，伯德图在随动系统的动态性能分析中的应用关键词：随动系统 相角裕度 幅值裕度 超调量 调节时间目 录1 位置随动系统结构和工作原理 .1.1 位置随动系统结构组成 .1.2 位置随动系统工作原理 .2 系统的分析与设计 .2.1 位置随动系统方块图 .2.2 系统数学模型的建立 .2.3 系统参数选择 .3 用伯德图分析系统性能 .4 总结体会 .参考文献 1 位置随动系统的结构
5、与工作原理1.1 位置随动系统的结构组成位置随动系统的原理图如图 1-1。该系统的作用是使负载 J(工作机械)的角位移随给定角度的变化而变化，即要求被控量复现控制量 。系统的控制任务是使工作机械随指令机构同步转动即实现：Q(c)=Q(r)图 1-1 位置随动系统原理图 Z1电动机，Z2减速器，J工作机械系统系统主要由以下部件组成：系统中手柄是给定元件，手柄角位移 Qr 是给定值（参考输入量） ，工作机械是被控对象，工作机械的角位移 Qc 是被控量（系统输出量） ，电桥电路是测量和比较元件，它测量出系统输入量和系统输出量的跟踪偏差（Qr Qc）并转换为电压信号 Us，该信号经可控硅装置放大后驱动
6、电动机，而电动机和减速器组成执行机构。 1.2 系统的工作原理控制系统的任务是控制工作机械的角位移 Qc 跟踪输入手柄的角位移 Qr。如图 1-1，当工作机械的转角 Qc 与手柄的转角 Qr 一致时，两个环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态。其输出电压 Us=0，电动机不动，系统处于平衡状态。当手柄转角 Qr 发生变化时，若工作机械仍处于原来的位置不变，则电桥输出电压 Us 不等于 0，此电压信号经放大后驱动电动机转动，并经减速器带动工作机械使角位移 Qc 向 Qr 变化的方向转动，并逐渐使 Qr 和 Qc 的偏差减小。当Qc=Qr 时，电桥的输出电压为 0，电机停转，系统达到新的平衡状态。当
7、 Qr 任意变化时，控制系统均能保证 Qc 跟随 Qr 任意变化，从而实现角位移的跟踪目的。 该系统的特点：1、无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控量出现偏差，系统则自动纠偏。精度高。2 、结构简单，稳定性较高，实现较容易。2 系统的分析与设计2.1 位置随动系统方块图根据系统的结构组成和工作原理可以画出系统的原理方块图，如图 2-1。可以看出，系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。给定电位器放大器 电动机 减速器 负载反馈电位器RC图 2-1 位置随动控制系统方块图2.2 系统数学模型的建立该系统各部分微分方程经拉氏变换后的关系式如(2-1)：(2-1)(a) (2-1)(
8、b)(2-1)(c) (2-1)(d)(2-1)(e)(2-1)(f)(2-1)(g)(2-1)(h)根据各个环节结构图及其传函写出整个系统的结构图，如图 2-2 所示。 r(s) e(s) U(s) Ua(s) Ia(s) Md(s) m cc(s) _ Eb(s) _图 2-2 位置随动系统的方框图由方框图写出系统的开环传递函数为： 2()samaKGsiLSRJBS（22）式中：La电动机电枢绕组的电感Ra电动机电枢绕组的电阻Km电动机的转矩系数Ke与电动机反电势有关的比例系数Ks桥式电位器的传递系数Ka放大器增益i减速器速比J折算到电动机轴上的总转动惯量B折算到电动机轴上的总粘性摩擦系
9、数如果略去电动机的电枢电感 La，并令 , .其中，1samKiRmeaKFBRK1 称为增益，F 称为阻尼系数。那么在不考虑负载力矩的情况下，位置控制系统的开环传递函数可简化为： 其中，K=K 1/F，称为开环增益，)1()TsGKs Ka 1/(LaS+Ra) Km 1/(Js2+Bs) 1/Kes为需要选定的参数；T=J/F，称为机电时间常数，一般为系统保留下来的固有参数。则可得相应的闭环传递函数为： （2-3）2()()1GsKTS由此该位置控制系统可简化为一个二阶系统，其原理图如图 2-3 所示：)1(TsKR(s) C(s)图 2-3 近似后系统的方框图将式（2-3 ）与二阶系统的
10、闭环传递函数的标准形式比对：（2-4）2()()1GssHS可得：自然频率 （2-5） （a ）nKT阻尼比 = （2-5） （b）1根据时域分析中讲过的公式，可以算出不同 K 值下系统的性能指标如表 2-1。表 21 时域指标的计算值K T414.3T56.21T4.1 1 0.9 0.8 0.707 0.6 0.5tr 11.1T 6.67T 4.71T 3.32T 2.42T p% 0 0.15 1.5 4.3 9.5 16.3 Mo 76.3o 73.5o 69.6o 65.5o 59.2o 51.8o由上表可见，当开环放大倍数 K 越大，对应的阻尼比 越小，则相位裕量愈大，最大超调量
11、愈小，但同时快速性将变差。令式（2-4）的分母多项式为零，得二阶系统的特征方程：=0 (2-6)22nS其两个根（闭环极点）为： （2-7）21,21nS显然，二阶系统的时间响应取决于 和 Wn 这两个参数。根据式（2-5）中 ， 与 K，T 之间的关系，可求出 K 和 T 与动态性能指标之间的关系，n从而间接的得到了 Ks，K A， J，B 及 i,Ke 等系统参数与动态性能指标之间的关系。2.3 系统的参数选择根据对系统设计的要求，取可控硅装置的放大倍数：K a=40取电动机的额定功率 PN=27KW，则可得：360271076.92.46NNTMNn9.3mTaNKCI20.146E05
12、7.3.aNEUnC则可得起动到额定转速时的转速超调量为：，满足设计要求01.460%1%810aNn取. ，由 得，.15aR0aUEIR039.5aIA则电流超调量为： ，满足016025%aiI设计要求。 1.367.8TaCI由式 得，2nJ23.1476.80Tn为了方便计算，取 B=0.76，则 2.nT又因为 ，所以可得0.76.32145meaJTKFBR0.72.13n由以上的分析及参数的选择，可得所设计的位置系统的开环传递函数为： 4.8195.20()3)(3)aKGSS3 用伯德图分析系统性能系统的开环传递函数为： 4.8195.20()3)(3)aSS伯德图由 MAT
13、LAB 软件绘制程序：num=195.20;den=1 3.12 0;bode =(num,den)相对裕量 幅值裕量 num=195.20;den=1 3.12 0;mag,phase,w=bode(num,den); semilogx(w,20*log10(mag);grid; gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)gm = 329.8047pm = 12.7955wcg = 253.7991wcp = 13.7952该系统的设计中取 =0.707，即取 K=1/2T。延迟时间 td td= (1+0.7)/ =2.69（s ）n调节时间 ts 3.5.(%)2
14、.4()071snt s4.5.(2%)2.8()071snt s上升时间 tr 2co3.14075.1()rdnart s峰值时间 tp 22()1107pdnt超调量超调量 %32/e4 总结与体会根据被控对象及给定的技术指标要求设计自动控制系统，需要进行大量的分析计算。设计中需要考虑的问题是多方面的，既要保证所设计的系统有良好的性能满足给定技术指标的要求；又要照顾到便于加工，经济性好，可靠性高。在设计过程中，既要有理论指导，也要重视实践经验，往往还要配合许多局部和整体的实验。当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号具有的最大速度和加速度要求，可以初步选定执行元件的型式、特性和
15、参数。然后，根据测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及线性度等因素，选择合适的测量变送元件。在此基础上，设计增益可调的前置放大器与功率放大器。这些初步选定的元件及被控对象，构成系统中不可变部分。设计控制系统大的目的，是将构成控制器的各元件与被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。如果通过调整放大器增益后仍不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统性能全面满足设计要求。通过这次课程设计，让我了解了控制系统设计的一般方法，也让我了解了有关随动系统的原理与设计理念，巩固了自己所学的知识,加深
16、了自己对理论与实际相结合的理解，深刻体会到要把书本上的知识运用到实际中去，这样才能在实践中才能提高自己，使自己能够融会贯通，把自己和社会联系到一起。 在做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。在实验过程中我们曾经遇到过问题。从这次课程设计中我学习到了如何对待遇到的困难，进一步培养了自己一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心。在实验的过程中我和其它同学一起探讨，我们互相讨论互相合作，使得我课程设计得以顺利完成，体会到了合作的力量。这次课程设计的体会对我以后的学习和工作有帮助作用，衷心心感谢老师在设计过
17、程中给我们的谆谆教导；衷心感谢学校给我们提供这次机会。参 考 文 献1 胡寿松. 自动控制原理. 科学出版社2黄坚,自动控制原理及其应用, 高等教育出版社3谢红卫. 现代控制系统. 高等教育出版社4黄忠霖. 自动控制原理的 MATLAB 实现. 国防工业出版社课程设计成绩评定表系部： 班级： 学生姓名： 学号： 优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x7 0)及格(70x6 0)不及格(x60)项目 分值参考标准 参考标准 参考标准 参考标准 参考标准评分平时考核 20学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。学习态度比较认真，科学作风良好，能按
18、期圆满完成任务书规定的任务。学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作。学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务。学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度。报告内容组织书写20结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰。结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰。结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图
19、纸比较工整。内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。技术水平20设计合理、理论分析与计算正确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。设计合理、理论分析与计算正确，文献引用、调查调研比较合理、可信。设计合理，理论分析与计算基本正确，主要文献引用、调查调研比较可信。设计基本合理，理论分析与计算无大错。设计不合理，理论分析与计算有原则错误，文献引用、调查调研有较大的问题。课程设计报告创新 10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧上机操作 30实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力。实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力。实验数据比较准确，有一定的实际动手能力。实验数据无大错。实验数据不可靠，实际动手能力差。指导教师评定成绩：指导教师签名： 2013 年 04 月 07 日
