1、 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) 编 号: 审定成绩: 重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)设计(论文)题目:基于二阶参考模型随动系统串联校正及仿真研究单 位(系别) : 自动化系学 生 姓 名 : 马强专 业 : 电气工程与自动化班 级 : 05130901学 号 : 0513090125指 导 教 师 : 汪纪锋重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) 答辩组 负责人 : 汪纪锋填表时间: 20 13 年 5 月重庆邮电大学移通学院教务处制重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) 重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目 基于二阶参考模型随动系统串联校正设计及仿
2、真研究 学生姓名 马强 系别 自动化系专业电气工程与自动化 班级 05130901 指导教师 汪纪锋 职称 教授 联系电话 42871150 教师单位重庆邮电大学移通学院 下任务日期_ 2013 _年_3_月_15_日主要研究内容方法和要求研究典型的型 2 阶线性系统性能及综合设计,以达到使该系统满足工程实际性能指标的要求。基本要求:1. 运用经典控制理论分析给定的典型的型 2 阶线性系统基本特性; 2.运用串联校正按二阶参考模型方法,提出改善系统性能特性满足性能指标要求的设计方案; 3 应用 MATLAB/SIMULINK(或物理模拟)对设计系统进行仿真验证。进度计划第 4 周第 6 周:完
3、成系统建模,性能分析;第 7 周第 10 周:按性能指标提出校正设计方案;第 11 周第 14 周:完成原系统及校正后系统仿真研究,并作比较研究;第 15 周第 17 周:撰写论文、修改论文,完成答辩。主要参考文献1.汪纪锋等, 现代控制理论 ,2013.03;2.郑大钟, 线性系统理论 (第 2 版) ,清华大学出版社,2008.04;3.Chi-Tsong Chen,Linear System Theory and Design ,HOLT.RINEHART AND WINSTON,2001.03;4.刘向群, 自动控制元件 ,北京航空航天大学出版社,2001.08;5.熊晓君自动控制原理
4、实验教程 (硬件模拟与 MATLAB 仿真) ,机械工业出版社,2009.01;6.相关学术期刊等。指导教师签字: 汪纪锋 年 月 日系主任签字: 年 月 日备注:此任务书于第一学期第十六周前由系主任发放给指导教师,指导教师填写完整后于下学期第一周内交回各系,由各系进行统计并组织学生于第二周进行选题,确定选题后,交至辅导员于第三周发放给学生。毕业设计于第四周开始进行。重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) I重 庆 邮 电 大 学 移 通 学 院毕 业 设 计 任 务 书 ( 简 明 ) 技 术 资 料一 设 计 题 目 :题目 18 基于二阶参考模型随动系统串联校正设计及仿真研究二 、 系
5、 统 说 明 :设 二 阶 系 统 结 构 框 图 如 所 示二 阶 系 统 结 构 框 图其中: 50K2RF,10C;10KR5-21为线性滑动电位器,可调范围为: 设计过程中可忽略各种干扰,比如:运f 4-1算放大器的零点漂移,环节间的负载效应,外界强电力设备产生的电磁干扰等。定 义 为 原 二 阶 系 统 开 环 传 递 函 数 。其 中 :三 、 系 统 参 量 :系 统 输 入 信 号 : r( t) ; 系 统 输 出 信 号 : y( t) ;四 、 设 计 指 标 :1.设 定 : 在 输 入 为 r( t) a bt, ( 其 中 : a 5 b 1/ sec.)2.在保证
6、静态指标 ess0.8 的前提下,要求动态期望指标:; 五 、 设 计 要 求 :基于频率特性法,试用二阶参考模型法(即 )设计串联校正装置 ,以使系统满足设计指标的要求。重 庆 邮 电 大 学 移 通 学 院 : 自 动 化 系指 导 教 师 : 汪 纪 锋日期: 2013.03()()pysG-25(%=)st2=重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) II摘 要自动控制在工程和科学领域起着很重要的作用,已经成为现代生产及工业过程中重要而不可缺少的组成部分。在控制系统中设计分析系统的方法很多,主要有根轨迹法,频域法,状态变量法及其设置观测器法等。实际系统中存在多种不同类型的系统。根据它们
7、是系统本身内在的,可以分为一阶,二阶,三阶,四阶以及高阶等。到目前为止我们所讨论的线性定常系统的分析方法和设计方法,包括传递函数和拉普拉斯变换的应用。在本文中,将要讨论的系统是线性定常二阶系统,主要研究其静态性能,动态性能,及其通过串联校正来使其达到预期的性能指标,最后通过软件进行仿真研究。在控制系统的分析与综合设计中,首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部的物理量(或变量)之间关系的数学表达式。在自动控制理论中,数学模型有多种形式。时域中常用的数学模型有微分方程,差分方程和状态方程;复频域中有传递函数,结构图;频域中有频域特性;S 平面的根轨迹特性等。自动控制原理课程设计
8、是该课程的一个重要的教学环节,它既有别与毕业设计,更不同于课堂教学。通过设计,锻炼同学自我发现问题,并且自主解决问题的能力。它主要是培养学生运用自动控制原理课程中所学到的理论知识,掌握反馈控制系统的基本理论和方法,对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。【关键词】二阶 仿真 线性 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) IIIABSTRACTAutomatic control plays a very important role in the fields of engineering and science has become an important and indispensabl
9、e part of modern production and industrial processes. In the control system, many methods of design and analysis system, the main root locus method, frequency domain method, the state variable method and its settings Observer law. Actual system, there are a variety of different types of systems. Dep
10、ending on whether they are within the system itself, can be divided into a first-order and second-order and third-order and fourth-order and higher-order, etc.So far we have discussed linear time-invariant systems analysis and design methods, including the transfer function and the Laplace transform
11、 application. In this article, the system to be discussed is the linear time-invariant second-order system, mainly to study the static performance, dynamic performance, and its series correction to make it to achieve the desired performance, and finally through software simulation studies.In the des
12、ign and synthesis of analysis of control system, the first to establish the system mathematical model. The mathematical model of the control system is to describe the physical quantities within the system (or variable) mathematical expression of the relationship between. In control theory, the mathe
13、matical model has a variety of forms. The time domain mathematical model commonly used with differential equations, difference equations and equation of state; complex frequency domain transfer function, structure diagram; a frequency domain characteristics in the frequency domain; the S plane root
14、locus characteristics.Automatic Control Theory course design is an important teaching aspect of the course, it has both do graduate design, different from the classroom teaching. Through design exercise students self-discovery problem, and independent problem-solving skills. It is mainly theoretical
15、 knowledge learned in the use of automatic control theory courses students master the basic theory and method of feedback control systems, complete a comprehensive analysis and synthesis of engineering systems.【Key words】 Second Simulation Linear重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) IV目 录前 言 .1第一章 控制系统的简介 .3第一节 线性控制
16、系统 .3第二节 自动控制系统的性能指标 .3第三节 系统概述 .4第四节 设计基本要求 .4第五节 系统基本指标 .4第二章 系统建模 .5第一节 各环节模型建立 .52.1.1 比较器 .52.1.2 比例环节 .52.1.3 积分环节 .62.1.4 惯性环节 .6第二节 系统数学模型 .7第三章 系统分析 .8第一节 稳定性分析 .93.1.1Nyquist 判据 .103.1.2 劳斯判据 .10第二节 稳定(静态)精度分析 .123.2.1 系统的跟踪能力 .123.2.2 误差计算 .13第三节 动态性能分析 .143.31 动态平稳性分析 %p.173.3.2 动态快速性分析
17、.18st3.3.3 Bode 图映证 .183.3.3.1 截止频率的计算 .21重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) V3.3.3.2 计算 cr.22第四章 系统综合设计 .23第一节 稳态性能指标 .23第三节 超前校正 .24第五节 滞后超前校正 .26第六节 校正方案的确定 .26第七节 设计校正规律和校正装置 .274.7.1 计算所需的相位超前裕度 .274.7.2 计算衰减率 .274.7.3 确定截止频率 .274.7.4 确定截止频率 .274.7.5 补偿增益 .274.7.6 校正后的开环频率特性 .274.7.7 校正后的截止频率和稳定欲度 .284.7.8 校
18、正后系统的波德图 .284.7.9 校正后系统的 nyquist 图 .29第五章 系统物理模拟 .30第一节 原系统物理仿真 .30第二节 MATLAB 仿真 .325.2.1 MATLAB 简介 .325.2.2 MATLAB /SIMULINK.33第六章 设计总结 .38第一节 设计体会 .38第二节 致谢 .38参考文献 .39附录 英文文献 .40一 英文原文 .40二 英文翻译 .45重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) 第 0 页 共 56 页前 言自动控制,就是在没有人参与的情况下,通过控制器或者控制装置来控制机器或者设备等物理装置,使得机器设备的受控物理量按照希望的规律
19、变化,达到控制的目的。对于一个控制系统首要的要求是系统的绝对稳定性。否则系统无法正常工作,甚至可能导致设备毁坏,造成重大损失。在系统稳定的前提之下,要求系统的动态性能和稳态性能都要好。系统的动态性能和稳态性能都是由相应的性能指标来描述的,比如误差,百分比超调,调节时间,稳定裕度等等。在此,对于系统的性能要求可以简要概括为:响应动作要快,动态过程要平稳,跟踪值要准确。在自动控制系统中,按阶数分类,可以分为一阶,二阶,三阶,四阶,高阶等。在本次设计中主要涉及到线性定常二阶系统。可以用二阶线性常系数微分方程描述的系统称为二阶线性定常系统。控制工程中的许多系统都是二阶系统,如电学系统,力学系统。即使是
20、高阶系统,在简化系统分析的情况下有许多也可以近似成二阶系统来进行分析。因此,二阶系统的性能分析在自动控制系统分析中有非常重要的地位。控制系统的校正问题,是自动控制系统设计理论的重要分支,也是具有实用意义的一种改善系统性能的手段与方法。系统的设计问题,传统的提法是根据给定的被控对象和自动控制的基本要求,单独进行控制器的设计,使得控制器与被控对象组成的系统,能够较好的完成不可改变的部分。但是近代控制系统的设计问题已经突破了上述的传统观念,例如,近代的不稳定飞行对象的设计,就是事先考虑了控制的作用,亦即控制对象不是不可改变的部分了,而是对象与控制器进行的一体化的设计。根据被控对象及其技术要求,设计控
21、制器的传统做法也需要考虑多方面的问题,除了保证良好的性能指标外,还要照顾工艺性,经济学,同时使用寿命,容许的体积与重量,管理与维护的方便等也不容忽视。在设计手段上,除了必要的理论计算外,还需要配合一些局部和整体的模拟实验仿真和数字仿真。因此,要达到比较满意的设计,需要综合多方面的知识和依赖长期实践的积累。系统的校正性问题,是一种原理性的局部设计。问题的提法是在系统的基本部分,通常是对象,执行机构和测量元件等主要部件,在已经确定的条件下,设计校正装置的传递函数和调整放大系数。使系统的动态性能指标满足一定的要求。这一原理性的局部设计问题通常重庆邮电大学移通学院本科毕业设计(论文) 第 1 页 共 56 页称为系统的校正或动态补偿器的设计。由于校正方式加入系统的方式不同,所起的作用不同,名目众多的校正设计问题或动态补偿器设计问题,成了控制理论中一个极其活跃的领域,而且它是最有实际应用意义的内容之一。