武科大-2013《自动控制原理课程设计》任务书 2013.12).doc

二○一三～二○一四学年第 一 学期 信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称： 自动控制原理课程设计 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 　 二○一三 年 十二 月 《自动控制原理课程设计》任务书 基本情况 课程代码：0403035 课程类别：必修课 课程学分：1学分 课程学时：1周 课程对象：自动化 二、时间安排 时间 任务 第一天 指导老师给学生布置课程设计的任务及要求 第一～第三天 学生根据设计任务及要求，对系统进行分析并设计。 （编写MATLAB程序代码进行辅助设计） 第四天 学生提交设计初稿，并接受指导老师的验收。 第五天 修改并完善设计，书写并提交课程设计报告。 题目、任务及要求 已知：某负反馈系统的开环传递函数 ，利用时域分析法，根轨迹法和频率分析法分析系统，并用频域法设计控制器。 根轨迹法 .绘制系统根轨迹图。 利用根轨迹图，求系统临界稳定时的K值。 应用主导极点的概念，计算ξ=1/时，系统的超调量和调节时间。 时域分析法 .利用劳斯判据，判断K的稳定域。 计算当K=5时，将此三阶系统近似为二阶系统，并计算系统的暂态特性指标，超调量，调节时间。 当输入为单位斜坡信号时，计算系统的稳态误差。 频域分析法 当K=5时，绘制系统开环幅相特性，应用奈氏判据判定系统的稳定性。 当K=5时，绘制系统对数频率特性曲线，并计算相应裕量和增益裕量，并根据相位裕量和增益裕量判定系统稳定性。 频域法设计 要求系统在单位斜坡输入下稳态误差小于0.02，且相位裕量，请利用串联校正方法，设计控制器,并写出控制器的实现方式。 四、设计报告及书写内容要求 课程设计任务完成后，每位同学必须独立书写一份课程设计报告，注意：不得抄袭他人的报告（或给他人抄袭），一旦发现，成绩为零分。 分析详细设计MATLAB编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）； 校正实现的电路图及仿真实验结果（校正前后系统的阶跃响应图－MATLAB或SMULINK辅助设计）； 校正前后的系统性能指标的计算； 总结（包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程设计的认识等内容）。 题目、任务及要求 已知：某负反馈系统的开环传递函数 ，利用时域分析法，根轨迹法和频率分析法分析系统，并用频域法设计控制器。 根轨迹法 .绘制系统根轨迹图。 利用根轨迹图，求系统临界稳定时的K值。 应用主导极点的概念，计算ξ=1/时，系统的超调量和调节时间。 时域分析法 .利用劳斯判据，判断K的稳定域。 计算当K=5时，将此三阶系统近似为二阶系统，并计算系统的暂态特性指标，超调量，调节时间。 当输入为单位斜坡信号时，计算系统的稳态误差。 频域分析法 当K=5时，绘制系统开环幅相特性，应用奈氏判据判定系统的稳定性。 当K=5时，绘制系统对数频率特性曲线，并计算相应裕量和增益裕量，并根据相位裕量和增益裕量判定系统稳定性。 频域法设计 要求系统在单位斜坡输入下稳态误差小于0.02，且相位裕量，请利用串联校正方法，设计控制器,并写出控制器的实现方式。 具体设计和分析 根轨迹法 （1）令，可得到开环极点有3个，即n=3；无开环零点，即m=0； 可以确定实轴上根轨迹为 开环极点：p1=0; p2=-1;p3=-10; （2）确定渐近线有n-m=3条，它们与实轴交点为坐标 δa== 渐近线与实轴的夹角： φa= 计算得到φa分别为。 （3）确定分离点： 可求得分离点d=0.487.(另有一个d由于不在根轨迹上，所以舍去了)。 （4）确定根轨迹与虚轴交点： 特征方程：；另，可得: 并使实部和虚部为零，求得： 或 对于本题：无开环的复零极点，也就无需计算出射入射角了。 根轨迹如下图： 由上述分析可知系统在时是稳定的，时为临界稳定状态； 此开环系统传递函数为三阶，对于极点p2=-1, p3=-10由于p3与虚轴的距离是p2与虚轴距离的10倍，故可以忽略极点p3，将其近似为二阶系统： 由题意取，则有：，从而求得：； 进一步求得： 超调量： 调节时间：（取）或者（取） 二.时域分析法 闭环特征方程： 运用劳斯判据： 要使系统稳定，则有：且，从而求得： 同前述一样，在时，将系统近似为： 于是特征方程变为：，那么： 从而得到： 进一步得到 超调量： 调节时间：（取）或者（取） 当输入为单位斜坡信号时，系统的稳态误差为： 三.频域分析法 = 那么系统的开环频率特性为（代入上式）： 幅频特性： 相频特性： 可见幅频特性在低