1、重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目: 基于根轨迹的二阶系统 并联校正设计及仿真研究 单 位（系别）： 自动化 学 生 姓 名： 魏星玥 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 05131101 学 号： 051110105 指 导 教 师： 汪纪锋 答辩组负责人： 汪纪锋 填表时间：2015 年 6 月重庆邮电大学移通学院教务处制编 号：_审定成绩：_重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 摘 要随着我国科学技术的进步和发展，自动化技术在国民生产各个领域都得到了应用，要在短时间内把我国建设成为社会主义强国，就必须在科技、创新、社会管理等各个方面实现自动
2、化。自动化就是用机器、仪表、仪器、电子计算机或其他自动化装置去参与各种活动，代替人的大脑和手。因为自动控制准确、可靠、快速，而手动控制不易消除主管误差。从而，得到了广泛应用自动控制技术。因此我们有必要对一些典型、常用、常见的控制系统进行设计、研究、分析。由给定系统输入量的给定元件、产生偏差信号的比较元件、对偏差信号进行放大的放大元件、直接对被控对象起作用的执行元件、对系统进行补偿的校正元件及检测被控对象的测量元件等典型环节组成了二阶系统。根轨迹法轨迹目的是为了分析系统参数对特征根的作用，不一样的参数会导致特征根不一样。就是特征根在根轨迹上位置的不同，只要绘制的根轨迹全部位于 S 平面左侧，系统
3、就是稳定的，就表示系统参数无论怎么改变，特征根全部具有负实部。则表示临界稳定，在虚轴上，也就是不断振荡。如有根轨迹全部都在S 右半平面，则无论选择什么参数，系统都是不稳定的。分析控制系统在不同开环增益值时的行为提供了很方便的途径，根轨迹的建立。根轨迹法也是基本方法之一，对于设计控制系统的校正装置。根轨迹是指控制系统闭环特征根随控制系统参数变化的根轨迹。它用于分析附加环节对控制系统性能的影响：引入新的开环极点和开环零点，是为了需要在控制系统中引入附加环节。可估计出引入的附加环节对系统性能的影响通过根轨迹。构成经典控制理论的两大支柱是根轨迹法和频率响应法被认为。确定控制器的结构形式和参数，校正装置
4、是根据系统性能指标要求。校正方式可以分为串联校正、反馈（并联）校正、前置校正和扰动补偿等。最常见的两种校正方式根据校正装置的特性分为串联校正和并联校正，校正装置可分为超前校正装置、滞后校正装置和滞后-超前校正装置。校正装置中最常用的是 PID 控制规律。PID 控制是比例积分微分控制的简称，校正装置可以是电气网络、机械网络、液压网络、运算部件或测量装置等，电气网络较其中为最多，通常是由有源、无源的微积分电路，各类传感器等。【关键词】自动化 二阶系统 根轨迹 校正装置 校正方式重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） IABSTRACTWith the progress and developmen
5、t of science and technology, automation technology in all areas of national production have been applied, in a short time to build China into a powerful socialist country, we must as soon as possible to automate production, research and management aspects. The so-called automation, is to use machine
6、s, instruments, equipment, computer, or other automated means, instead of the human brain and hands to participate in various activities. Manual control is better because automatic control is accurate, reliable, fast, but also easy to eliminate errors in charge. Therefore, automatic control technolo
7、gy has been widely used. Therefore, we need some typical, common, common control system design or analysis.Second-element is usually given by the input of a given system, a compare element bias signal, amplify the signal deviation amplifying elements directly on the actuator controlled object functi
8、oning of the system of compensation correction element and testing the controlled object measuring element and other typical aspects of the composition. The control system is designed to root locus method, root locus method locus main purpose is to analyze the impact of system parameters on the char
9、acteristics of the root. Different parameters can lead to different characteristic roots, is the root of different features on the root locus, as long as the root locus plotted all located in the left side of S plane, it means that no matter how change system parameters, characteristic roots all hav
10、e negative real part, then system is stable, and the imaginary axis, indicates a critical and stable, that is, if the root locus oscillate all in the right half plane S, the choice of what parameters, the system is unstable.In order to analyze the control system provides a very convenient way to con
11、duct open-loop gain at different values, the establishment of the root locus. Root locus method is one of the basic methods for control system design correction devices. Root locus refers to the closed-loop control system with the characteristics of the root system parameters control root locus. It
12、is used for impact analysis to control additional aspects of system performance: the introduction of a new open-loop and open-loop zero poles, to the need to introduce additional aspects of the control system. Root locus can be estimated by the impact of the introduction of additional aspects of 重庆邮
13、电大学移通学院毕业设计（论文） IIsystem performance. Root locus method and frequency response method is considered to be the two pillars of classical control theory. Correction means determining structure and parameters of the controller according to the system performance requirements.Correction can be divided in
14、to series compensation, feedback (parallel) correction, pre-correction and disturbance compensation. Series and shunt calibration correction are the most common two correction mode according to the characteristics correcting means correcting device can be divided into lead correcting means correctin
15、g device lag and lag - lead correction means. Correction means is most commonly used in PID control law. PID control PID control is short, it can be described asCorrecting means may be an electrical network, network mechanical, hydraulic networks, computing devices, or measuring member, which is mor
16、e up to the electrical network, usually an active or passive circuit calculus, and a variety of sensors.【 Key Words】 Automation Second-order system Root locus Correction means Correction mode重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） III目 录前 言 .1第一章 概述系统 .2第一节 关于自动控制的发展史 .2第二节 简介系统 .2一 、系统的物理模型结构图 .2二、给定系统环节的介绍 .3第三节 系统设计的
17、要求 .4一、系统基本指标 .4第二章 系统的建模 .5第一节 各环节建模与分析 .5一、了解各环节 .5二、比较器分析 .5三、比例环节分析 .6四、积分环节分析 .6五、惯性环节分析 .7六、反馈环节分析 .8第二节 系统的模型 .8第三节 系统结构框图 .10第三章 系统分析 .11第一节 分析系统的稳定性 .11一、在频域中分析 .11二、劳斯判据 .13三、Nyquist 判据 .14第二节 稳态精度分析 .14一、系统跟踪能力 .14二、误差计算 .14重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） IV三、原系统的开环传递函数和闭环特征方程 .15第三节 动态性能分析 .16一、动态平 稳
18、性讨论 .16二、快速性讨论 .16三、原系统根轨迹 .16第四节 Bode 图映证 .21一、截止频率的计算 .22二、计算 .22第四章 系统的综合 .23第一节 综合分析 .23一、分析 .23二、超前、滞后的说校正明 .24三、稳态性能指标 .24四、动态性能指标 .24五、考虑如下几点确定系统的校正方案 .25第二节 校正后系统框图 .25一、系统框图 .25二、校正后开环传递函数 .26三、校正后根轨迹图 .27第五章 系统模拟 .28第一节 MATLAB 介绍 .28第二节 SIMULINK.28第三节 原系统的物理模拟 .29结 论 .34致 谢 .35参考文献 .36附 录
19、.38一、英文原文 .37二、英文翻译 .41重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） - 0 -前 言在控制系统校正中，通常在各个闭环的前向通道入口处串入调节器，对给定信号和反馈信号的差值进行变换处理，称为串联校正。串联校正提高系统的精度，使系统更平稳，它实际上是通过零、极点对消和调整开环放大系数的方法，将系统或其内环校正为具有预期开环传函的典型系统。选择典型系统的方法很多，目前应用最广的是基子“振荡指标法”的典型型系统和典型型系统，对于多环控制系统，内环的主要矛盾是快速性和平稳性，通常校正为典型型系统；外环的主要矛盾是跟踪性和抗扰性，通常校正为型系统。然而，在实际系统中，由于工程设计的近似处理
20、、参数的变化及非线性的影响，仅仅按上述方法进行串联校正，效果往往并不理想，外环尤其如此。为了进一步改善系统的性能，常常需在串联校正的基础上再引入并联校正，即采用串一并联校正，并联校正是利用被控量或某些便于测量的中间变量作为反馈信号，通过反馈校正网络来实现的，并联校正为被控量的微分负反馈校正在工程设计中使用最多。串联校正的结构比并联校正简单，多采用有源校正网络构成，容易对信号进行各种必要的变换。其他元件参数不稳定，会影响到串联校正的效果，要对系统元件特性的稳定性提出较高的要求，在通常使用时。保证低频段满足稳态误差，改善中频段，使截止频率增大，相角裕度增大，动态性能提高，高频段提高，使其抗噪声干扰
21、能力减小。并联校一般是由一些繁琐、昂贵、庞大的部件所构成，如测速发电机，电流互感器就是常用的并联校正装置。并联校正装置的设计比较繁琐，并联校正中对系统的各个元件的稳定性要求较低，不需要采用有源元件。由于并联校正频率特性的精确计算十分复杂，工程上通常采用近似处理方法，目前多变量系统的综合，引起了人们的注意，人们一般重研究用串联环节改善系统的品质，但从工程实践来看，采用并联校正往往更为有利，本文从并联校正讨论。重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） - 1 -第一章 概述系统第 1 节 关于自动控制的发展史自动控制所经三个不同阶段。即经典、现代、智能控制理论。第一阶段：经典控制（形成于 50 年代）
22、 。在古代，古人发明的指南车就应用了反馈原理。James Watt 蒸汽机离心飞锤式调速器。 Nyquist 于 1932 年提出稳定性的频率判据。Bode 于 1945 年写网络分析和反馈放大器设计 。Harris 于 1942 年引出传递函数概念。Evans 于 1948 年提出了系统的根轨迹分析法，进一步完善了频域分析法。钱学森于 1954年出版了工程控制论 ，全面总结了经典控制理论，经典理论成熟的标志。第二阶段：现代控制（50、60 年代） 。本质是一种时域法，由三部分组成：多变量线性系统、最优控制、最优估计与系统辨识理论。现代控制理论解决了系统的可控性、可观性、稳定性等诸多问题。极大
23、值原理创立于 1959 年，滤波器理论被提出。卡尔曼于 1960年对系统采用状态方程描述方法，提出了系统的能控性。第三阶段：智能控制理论阶段（60 年代中期萌芽） 。美籍华人博京孙教授于 20 世纪70 那年代提出智能控制，是指驱动智能机器自主的实现其目标的过程，核心是高层控制主要以时域法为主。美国的 G.N.Saridis 于 1977 年将二元结构扩为三元结构，中南工业大学蔡自兴将三元结构扩为四元结构。本文采用根轨迹法进行分析校正，根轨迹法是一种简单的求特征的方法。第 2 节 简介系统一 、系统的物理模型结构图为线性滑动电位器，可调范围为 设计过程中忽略各种干扰，如：运算fR140R放大器
24、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。重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） - 2 -Rf R0 AC1R0AA C2 R0 R2 Rc ry图 1.1 二阶系统结构框图- 毕业设计任务资料二、给定系统环节的介绍图中第一是比例环节：能按一定比例放大输入量，以驱动后续环节的运行；第二个是积分环节，能使系统的跟踪能力增强；积分环节当输入信号为零时，输出信号才保持不变，而且能保持在任何位置。系统中，消除被控量偏差，引用积分环节可。第三个是惯性环节，由于惯性环节系统的阻力，刚开始输出并不与输入同步按比例变化，当过渡过程结束,输出才能与输出保持比例，保证了控制过程作无差控制。自动
25、控制领域中，按照一定规律组成的内部互相联系的部件，这就是系统。能够完成一定功能。系统控制两种基本的形式为开环控制和闭环控制。图 1.2 开环控制系统有一条从输入端到输出端前向通路，还另有一条从输出端到输入端反馈通路，这就是闭环控制系统的特点。控制器 受控对象控制器 受控对象反馈元件重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） - 3 -图 1.3 闭环控制系统第3节 系统设计的要求自动控制系统基本的要求是：系统运行是稳定的，并保证满足精度要求、规定的性能指标。按系统的给定值，可将自动控制系统分三大类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。系统的目的是使所控制的工艺参数准确快速的跟随给定值变化（给定
26、值随机变化） 。特点：设定值为一个未知的变化量的闭环控制系统，作用为以一定的精度跟随设定值变化变化。自动控制目的：将被控变量保持在一个不变的给定值上，只当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相同才有可能。静态被控变量不随时间而变化。整个系统处于相对稳定平衡的状态,当系统的输入和给定干扰和输出均恒定时。变送器、控制器、控制阀各个组成环节不改变系统的原先状态。静态就是输出信号都处于相对静止状态。干扰作用破坏静态平衡，而经控制，直到系统重新平衡。动态就是一段时间当中，各个环节和信号处于变动状态之内整个系统的。自动化工作中，了解系统静态是必要的，但是系统动态更为重要。在生产过程中，干扰是客观存在的不可避免的，则需要通过自动化装置不断地施加控制作用，去对抗或抵消干扰作用影响。系统在过渡过程中，随时间变化的是被控变量。取决于作用系统干扰的形式，被控变量随时间变化的规律。在生产中干扰是没有固定形式出现，多半属于随机的。在此取衰减振荡的过程，形式讨论控制系统品质的指标。时间域单项的指标，还有一类是时间域综合的指标，控制指标主要分为这两类。最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值最大的数值。第一个波的峰值就是最大偏差在衰减振荡过程中。特别是对于些有约束条件的系统，对最大偏差的允许有所限制。
