自动控制原理课程设计--对水箱流量控制系统

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1、 自动控制原理课程设计任务书 一、 设计目的： 首先，通过对水箱流量控制系统分析，加强对水箱流量控制系统的认识，并掌握超前校 正网络设计的方法。 其次， 通过设计， 培养分析问题解决问题的能力。 此外， 使用 Matlab 软件进行系统仿真， 从而进一步掌握 Matlab 的使用。 二、设计任务及要求： 初始条件：已知单位反馈水箱流量控制系统，系统的开环传递函数为 ( ) (0.11)(0.0011) o k Gs ss 要求：试用 Bode 图设计法对系统进行超前串联校正设计，使系统满足： （1）系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差 0.001 ss e （2）系统校正后，系统的相角裕量

2、 4050 三、要求完成的主要任务： （1）手画出满足初始条件的最小k值的系统的 Bode 图（用渐近线表示） ，计算出系统 的相角裕量； （2）在系统前向通道中插入一个相位超前校正网络，确定校正网络的传递函数； （3）用 Matlab 画出校正后的系统 Bode 图，并标出开环剪切频率 2c 及对应的相角； （4）在 Matlab 下，用 simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调 试，使其满足技术要求； （5）确定校正装置的电路形式及电路参数； （6）对上述任务写出完整的的课程设计说明书，说明书中必须进行原理分析，写清楚 计算的过程及分析的结果。 四、设计任务分析：

3、 虽然在频域内进行系统设计，是一种间接的设计方法，因为设计结果满足的是一些频域 指标，而不是时域指标。然而，在频域内设计又是一种简便的方法，在 Bode 图上虽不能严 格定量地给出系统的动态特性， 但却能方便的根据频域指标确定校正装置的参数， 特别是对 以校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。 一般来说，开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频率特性的中频段 表征了闭环系统的动态性能； 开环频率特性的高频段表征了闭环系统的复杂性和噪音抑制功 能。 因此， 用频域法设计控制系统的实质， 就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置， 是开环系统的频率形状变成所期

4、望的形状：低频段增益充分大，以保证稳态误差要求；中频 段对数幅频特性斜率一般为20/dBdec，并占有充分宽的频带，以保证具备适当的相角裕 度；高频段增益尽快减小，以削弱噪声影响。 五、设计步骤： （1）根据所要求的稳态性能指标，确定系统满足稳态性能要求的开环增益k 。 由要求（1） ：系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差0.001 ss e。 11 0.001 ss v e kk 00 lim( )( )lim (0.11)(0.0011) vO ss k ksGs Hss sss 得1000k ， 取1000k 。 （2）绘制 k=1000 值下的系统的 Bode 图，并求出系统的相角裕量 o 。 待校正系统开环传递函数 1000 ( ) (0.11)(0.0011) o Gs ss 上式代表最小相位系统，因此，只需画出其对数幅频渐近线特性，如图 1 所示。 图（1） ：未校正系统的 Bode 图 由图得待校正系统的开环剪切频率 1 100/ c rads 可算出待校正系统的相角裕量为 11 18090arctan 0.1arctan 0.01 occ 9084.35.7 0 相角裕度小的原因，是因为待校正系统的对数幅频特性中频区的斜率是40/dBdec， 系统的动态特性会有严重的振荡，需要校正装置校正。由于截止频率远远低于指标要求，故 采用串联超前校正是合适的。