单位负反馈系统超前校正——自动控制原理课程设计要点

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审定成绩：

自动化学院

自动控制原理课程设计报告设计题目：单位负反馈系统的校正设计

单位（二级学院）：

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

负责项目：

设计时间：2013 年12 月

目录

一、自动控制原理课程设计题目 ......................... 错误！未定义书签。

二、摘要.................................................................. 错误！未定义书签。

三、未校正系统的分析 ......................................... 错误！未定义书签。

1.系统分析 ...................................................... 错误！未定义书签。

2.单位阶跃信号下系统输出响应 (3)

3.未校正系统伯德图 (4)

四、系统校正设计 (5)

1.校正方法 (5)

2.设计总体思路 (5)

3.参数确定 (5)

4.校正装置 (6)

5.校正后系统 (7)

6.验算结果 (7)

五、结果 (8)

1.校正前后阶跃响应对比图 (8)

2.结果分析 (8)

六、总结体会.......................................................... 错误！未定义书签。

七、参考文献 (10)

八、附录 (10)

1.Matlab程序 (10)

一、自动控制原理课程设计题目 题目：单位负反馈系统的校正设计

原理：

设单位负反馈系统的开环传递函数为：

))101.0)(1(/()(++=s s s K s G

用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：

1）相角裕度0

45≥γ；

2）在单位斜坡输入下的稳态误差为0625.0≥ss e ； 3）系统的穿越频率大于2rad/s 。

要求：

1）分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后- 超前校正）；

2）详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode 图，校 正装置的Bode 图，校正后系统的Bode 图）；

3）用Matlab 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）； 4）校正前后系统的单位阶跃响应图。

二、摘要

用频率法对系统进行超前校正的实质是将超前网络的最大超前角补在校正后系统开环频率特性的截止频率处，提高校正后系统的相角裕度和截止频率，从而改善系统的动态性能。为此，要求校正网络的最大相位超前角出现在系统的截止频率处。只要正确地将超前网络的交接频率1/aT和1/T设置在待校正系统截止频率Wc的两边，就可以使已校正系统的截止频率Wc和相裕量满足性能指标要求，从而改善系统的动态性能。串联超前校正主要是对未校正系统在中频段的频率特性进行校正。确保校正后系统中频段斜率等于－20dB/dec，使系统具有45°～60°的相角裕量。以加快系统的反应速度，但同时它也削弱了系统抗干扰的能力。在工程实践中一般不希望系数a值很大，当a＝20时，最大超前角为60°，如果需要60°以上的超前相角时，可以考虑采用两个或两个以上的串联超前校正网络由隔离放大器串联在一起使用。在这种情况下，串联超前校正提供的总超前相角等于各单独超前校正网络提供的超前相角之和。

关键词：串联超前校正动态性能相角裕度

三、未校正系统的分析

1.系统分析

校正前单位负反馈系统的开环传递函数为：

))101.0)(1(/()(++=s s s K s G

校正要求：

045≥γ 0625.0≥ss e

s W X /r a d 2> 解：因k

1e ss =，得k≤16，取k=16。

则：开环传递函数变为

G (s ) = 16 /(s (s +1)(0.01s +1))

在Simulink 中建立模型为

图3.1 未校正系统模型图

2.单位阶跃信号下系统输出响应

在matlab 中编写m 程序（test01jieyue.m ），作出阶跃响应曲线：

图3.2为校正系统单位阶跃响应图

由上图可以看出，系统在阶跃输入下还是可以稳定输出的，但是开始时振荡，比较大，超调量也比较大，系统的动态性能不佳。

3.未校正系统伯德图

在matlab中编写m程序（test01bode.m），作出未校正系统的伯德图：

图3.3 未校正新系统伯德图

由上图可知，该系统幅值裕度h=16dB，穿越频率Wx=10 rad/s，相角裕度 =12°，截止频率Wc=3.94 rad/s。

）

（w c

四、系统校正设计

1.校正方法

由未校正系统伯德图，幅值裕度h=16dB ，穿越频率Wx=10 rad/s ，相角裕度

）（w c γ=12°

，截止频率Wc=3.94 rad/s ，说明该系统稳定，穿越频率大于要求值，

唯相角裕度较小，故采用串联超前校正方法是合适的。

超前校正传递函数：

2.设计总体思路

(1)根据稳态误差ss e 的值，确定开环增益K 。

(2)利用已确定的开环增益K ，确定校正前系统的传递函数，画出其 bode 图，从图上看出校正前系统的相位裕度γ和截止频率Wc 。

(3)根据相位裕度γ的要求，计算出滞后校正装置的参数a 和T 。即得 校正装置的传递函数，然后得到校正后系统的开环传递函数。 (4)验证已校正系统的相位裕度γ和截止频率Wc 。

3.参数确定

（1）根据稳态误差要求确定开环k

由k

1

e ss =

，得k≤16，取k=16 （2） 求所需最大超前角

m ?

因）（wc m γ?γ+=

则

?=?+??=+=39612-45-wc m εγγ?）（

式中

m ?为校正装置最大超前角

γ为目标相角裕度

）（w c γ

为系统相角裕度

ε 为调整量

（3） 计算a 值

因1

a 1

-a arcsin m +=?

得 3955.4sin -1sin 1a m

m

=+=

??

（4） 图解最大超前角频率Wm

为保证响应速度，根据

a m

L lg 10)(=-

ω

从未校正系统伯德图中得Wm=5.74 rad/s （5）求参数T

0831

.01

==

a

Wm T 4.校正装置

则校正装置传递函数为

s

s

Ts aTs a G G c c 0831.010831.03955.413955.411+?+=?++=

在matlab 中编写m 程序（test02bode.m ），作出校正系统的伯德图：

图4.1 校正装置伯德图

5.校正后系统

经超前校正后，系统开环传递函数为：

)

0831.01)(101.0)(1()

3653.01(16*)S ()(s S S S S S G G G S C ++++=

=*）（

6.验算结果

在matlab 中编写m 程序（test03bode.m ），作出校正后系统的伯德图：

图4.2 校正后系统伯德图

由图中可知：校正后系统幅值裕度h=24.1dB ，穿越频率Wx=31.48rad/s ，相角裕度

）（w c γ=45.6°

，截止频率Wc=5.75 rad/s 。

五、结果

1.校正前后阶跃响应对比图

在matlab 中编写m 程序（test 04jieyue.m ），作出校正前后系统的阶跃响应对比图：

图5.1 校正前后单位阶跃响应对比图

2.结果分析

校正后系统相角裕度

）（wc γ=45.6°

> 45°,穿越频率Wx=31.48 rad/s > 2rad/s

ss e ≥0.0625，故校正装置满足要求，能完成校正要求。但是相角裕度）（wc γ=45.6

度，略小。故实际应用时，可以考虑将裕量度

ε值取大一点，使a 值再大点。

另，因采用超前校正，故为了补偿无源超前网络的增益衰减，放大器的增益需提高a 倍。

六、总结体会

通过这次的课程设计，再次熟悉我们所学的理论知识，同时为将理论知识运用于实际搭建了一个很好的平台；使课堂学习的理论知识联系实际，进一步掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，同时也学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。

在这次课程设计过程中，遇到一些麻烦。如对某些概念印象模糊；软件的开发运用不熟悉。但通过复习书本和向同学请教来了解模糊了的概念以及其他不懂得问题；借阅基本软件指导书籍，借鉴里面的例子快速的掌握此软件的使用方法。从课程设计的入手到最后分析，对于我们来说是个不小的挑战，要清楚的注意到每个细节是不可行的，所以遇到问题时和班上的同学一起讨论，是解决各种难题的有效方法。这次课程设计使我深深地体会团队精神的重要性。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，仅有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到的问题很多，但这是难免的，只有发现了自己的不足之处并加以改正就可以达到我们需要的要求，不断进步。

七、参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社,2007.6.

[2] 梅晓蓉.自动控制元件及线路[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2001.

[3] 张静.MATLAB在控制系统中的应用[M].电子工业出版社,2007.

[4] 李友善.自动控制原理360题[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003.

八、附录

1. Matlab程序

①test01jieyue.m

%**阶跃响应输出**%

s=tf('s'); %建模

G=16/(s*(s+1)*(0.01*s+1));

G1=feedback(G,1);

t=0:0.01:5;

step(G1,t); %作图

grid

xlabel('t');

ylabel('c(t)');

title('单位阶跃响应');

②https://www.wendangku.net/doc/8017678782.html,

%**未校正系统伯德图**%

s=tf('s'); %建模

G=16/(s*(s+1)*(0.01*s+1))

figure(1)

margin(G); %作伯德图

grid

[Hm,Ym,Wc,Wx]=margin(G); %参数

③test02bode.m

%**校正装置伯德图**%

s=tf('s'); %建模

G=(1+0.3653*s)/(1+0.0831*s)

figure(1)

margin(G);grid %作伯德图

[gm,pm,wg,wp]=margin(G);

④test03bode.m

%**校正后伯德图**%

s=tf('s'); %建模

G=(16*(1+0.3653*s))/(s*(s+1)*(0.01*s+1)*(1+0.0831*s)) figure(1)

margin(G);grid %作伯德图

[gm,pm,wg,wp]=margin(G);

⑤test02jieyue.m

%**校正前后阶跃响应对比图**%

s=tf('s'); %建模

G1=16/(s*(s+1)*(0.01*s+1));

G2=feedback(G1,1);

t=0:0.01:5;

G3=(16*(1+0.3563*s))/(s*(s+1)*(0.01*s+1)*(1+0.0831*s)) G4=feedback(G3,1);

y1=step(G2,t);y2=step(G4,t);

plot(t,y1,'--',t,y2);grid

xlabel('t');ylabel('c(t)');

title('校正前后单位阶跃响应对比图');

串联超前校正课程设计

天津城市建设学院 课程设计任务书 2010 —2011 学年第 2 学期 电子与信息工程 系 电气工程及其自动化 专业 08-1 班级 课程设计名称： 自动控制原理课程设计 设计题目： 串联超前校正装置的设计 完成期限：自 2011 年5 月 30 日至 2011 年 6 月 3 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 已知单位反馈系统的开环传递函数为：) 104.0(100)(+= s s K s G 要求校正后系统对单位斜坡输入信号的稳态误差01.0≤ss e ，相角裕度 45≥γ，试设计串联超前校正装置。 基本要求： 1、对原系统进行分析，绘制原系统的单位阶跃响应曲线， 2、绘制原系统的Bode 图，确定原系统的幅值裕度和相角裕度。 3、绘制原系统的Nyquist 曲线。 4、绘制原系统的根轨迹。 5、设计校正装置，绘制校正装置的Bode 图。 6、绘制校正后系统的Bode 图、确定校正后系统的幅值裕度和相角裕度。 7、绘制校正后系统的单位阶跃响应曲线。 8、绘制校正后系统的Nyquist 曲线。 9、绘制校正后系统的根轨迹。 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期：2011年5月28日

目录 一、绪论 (2) 二、对原系统进行分析 (3) 1)绘制原系统的单位阶跃曲线 (3) 2)绘制原系统bode图 (3) 3)绘制原系统奈式曲线 (4) 4)绘制原系统根轨迹 (4) 三、校正系统的确定 (5) 四、对校正后的装置进行分析 (5) 1)绘制校正后系统bode图 (5) 2)绘制校正后系统单位阶跃响应曲线 (6) 3)绘制校正后的奈式曲线 (7) 4)绘制校正后的根轨迹 (7) 五、总结 (8) 六、附图 (9) 参考文献 (15)

自动控制原理作业答案1-7(考试重点)

红色为重点（2016年考题） 第一章 1-2 仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。 解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机反转带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如下图所示。 1-4 题1-4图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？ 解工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。 其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。 系统方块图如下图所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。

1-5图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及各部件的作用，画出系统方框图。 解加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压Uc的平方成正比，Uc增高，炉温就上升，Uc 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压Uf。Uf作为系统的反馈电压与给定电压Ur进行比较，得出偏差电压Ue，经电压放大器、功率放大器放大成au后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T°C，热电偶的输出电压Uf正好等于给定电压Ur。此时，Ue=Ur-Uf=0，故U1=Ua=0，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使Uc保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T°C由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程,控制的结果是使炉膛温度回升，直至T°C的实际值等于期望值为止。 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压ru（表征炉温的希望值）。系统方框图见下图。 注意:方框图中被控对象和被控量放在最右边,检测的是被控量,非被控对象. 第二章 2-2 设机械系统如图2—57所示，其中x i为输入位移，x o为输出位移。试分别列写各系统的微分方程式及传递函数。

单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定

计算机控制系统三级项目 单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定

目录 一．PID控制概述 (1) 二．PID控制在液压系统中的应用 (2) 三．课题分析与设计 (3)

一．PID控制概述 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s] 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。 第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源

matlab课程设计——超前校正

自动控制原理课程设计报告 学院：信息工程学院 班级：自动化-2 姓名：闫伟 学号：1105130201 地点：电信实验 指导教师：崔新忠

目录 一．设计要求 (3) 二．设计目的 (3) 三．设计内容 (3) 3.1设计思路 (3) 3.2设计步骤 (4) 3.2.1．确定系统的开环增益 (4) 3.2.2．求出系统的相角裕度 (4) 3.2.3．确定超前相角.................. .. (4) 3.2.4.求出校正装置的参数 (4) 3.2.5.校正后系统的开环剪切频率 (4) 3.2.6.确定超前校正装置的传递函数 (5) 3.2.7.确定校正后系统的开环传递函数 (5) 3.2.8.检验系统的性能指标 (5) 五．Matlab 程序及其运行结果 (6) 4.1绘制校前正后的bode图.......... . (7) 4.2绘制校前正后的Nyquist图 (7) 4.3绘制校前正后的单位阶跃响应曲线 (7) 五．课程设计总结 (10) 六．参考文献 (11)

自动控制原理课程设计 一． 设计要求： 已知单位反馈系统开环传递函数如下： ()()() 10.110.3O k G s s s s = ++ 试设计超前校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数 6v K ≤，相角裕度为45 度，并绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，开环Bode 图和闭环Nyquist 图。 二． 设计目的： 1.通过课程设计使学生更进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对内涵的理解，提高解决实际问题的能力。 2.理解自动控制原理中的关于开环传递函数，闭环传递函数的概念以及二者之间的区别和联系。 3.理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。 4.理解在校正过程中的静态速度误差系数，相角裕度，截止频率，超前(滞后)角频率，分度系数，时间常数等参数。 5.学习MATLAB 在自动控制中的应用，会利用MATLAB 提供的函数求出所需要得到的实验结果。 6.从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论操作联系实际、运用于实际。 三． 设计内容： 3.1设计思路： 频域法中的超前校正是利用校正装置的超前相位在穿越频率处对系统进行相位补偿,以提高系统的相位稳定裕量，同时也提高了穿越频率值，从而改善系统的稳定性快速性。串联超前校正主要适用于稳定精度不需要改变（即稳态性能较好），动态性能不佳，而穿越频率附近相位变化平稳的系统。

控制系统仿真matlab第六章习题答案

控制系统仿真第六章课后题 作业6.1 在图6.1中，已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为) 1001.0)(11.0()(++=s s s K s G 试编写matlab 程序，设计系统的超前矫正器Gc(s),要求： 1）在斜坡信号r （t)=2t 作用下，系统的稳态误差ess<=0.002; 2)校正后系统的相位裕度Pm 范围为：45~55； 3）绘制系统校正后的bode 图和阶跃响应曲线。 程序： >> s=tf('s'); >> G=1000/(s*(0.1*s+1)*(0.001*s+1)); >> margin(G) % 绘制校正前的bode 图 >> figure(2) >> sys=feedback(G,1); >> step(sys) %绘制校正前的单位阶跃响应曲线

>> [Gm,Pm]=margin(G); %该句值计算bode图的增益裕量Gm和相位裕量Pm >> [mag,phase,w]=bode(G); %该句只计算bode图上多个频率点w对应的幅值和相位>> QWPm=50; %取矫正后的相位为50 >> FIm=QWPm-Pm+5; >> FIm=FIm*pi/180; >> alfa=(1-sin(FIm))/(1+sin(FIm)); >> adb=20*log10(mag); >> am=10*log10(alfa); >> wc=spline(adb,w,am); >> T=1/(wc*sqrt(alfa)); >> alfat=alfa*T; >> Gc=tf([T 1],[alfat 1]) %校正器的传递函数 Transfer function: 0.01794 s + 1 ------------- 0.00179 s + 1 >> figure(3) >> margin(Gc*G) % 系统矫正后的bode图

单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定

计算机控制系统三级项目 -----单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定 学院(系): 机械工程学院 年级专业： 10级机电控制工程1班 小组成员：卢彪冯续桑子涵 董海洋林加城 指导教师：张立杰刘思远 时间： 2013年10月10日

目录 一．PID控制概述 (3) 二．PID控制的现实意义 (4) 三．PID控制器对系统性能的影响 (4) 1.P控制器对系统性能的影响 (5) (1)对动态特性的影响 (5) (2)对稳态特性的影响 (5) 2.PI控制器对系统性能的影响 (6) (1)对动态特性的影响 (6) (2)对稳态特性的影响 (7) 3.PID控制器对系统性能的影响 (8) 四．试凑法简介 (10) 五．PID控制在液压系统中的应用 (10) 六．感想与体会 (11)

一．PID控制概述 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为 u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s] 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID 就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。 在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决： 如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太

自动控制超前校正课程设计

自动控制超前校正课程设计

大连海洋大学课程设计报告纸息工程专业班级:自动化09-1 姓名:学号:090513 自动化专业课程设计报告 《自动控制原理课程设计》 班级自动化09-1班 姓名 学号09051 时间2011-12-26 ～2011-12-30 地点电信实验中心软件机房19 指导教师邓长辉、崔新忠 大连海洋大学信息工程学院 自动化教研室

目录 一、课程设计的题目与要求 (1) 二、课程设计的目的 (1) 三、课程设计的内容与安排 (1) 四、课程设计的步骤 (1) 五、课程设计的心得与体会 (7) 六、参考文献 (8)

超前校正课程设计 一、 课程设计设计题目： 已知单位反馈系统开环传递函数如下： ()()()10.110.3O k G s s s s = ++ 试设计超前校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数 6v K ≤，相角裕度为45度，并绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线， 开环Bode 图和闭环Nyquist 图。 二、 课程设计目的 1. 通过课程设计使学生更进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深 对内涵的理解，提高解决实际问题的能力。 2. 理解自动控制原理中的关于开环传递函数，闭环传递函数的概念以及二 者之间的区别和联系。 3. 理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到 最佳的系统。 4. 理解在校正过程中的静态速度误差系数，相角裕度，截止频率，超前(滞 后)角频率，分度系数，时间常数等参数。 5. 学习MATLAB 在自动控制中的应用，会利 用MATLAB 提供的函数求出所需要得到的实验结果。 三、课程设计的内容与安排 1. 布置任务书，查阅资料设计、计算（１天） 2. 程序设计、上机调试程序（３天） 3. 调试、验收，书写报告（0.5天） 4. 成绩评定（0.5天） 四、课程设计步骤 1. 设计思想： 设计一个串联超前校正环节，适当地选择参数a 和T,就可以使其校正后系统的静态速度误差系数，相角裕度等满足指标的要求，从而改善系统的动态性能。 2. 设计步骤：

自控第三章习题

一、稳态误差 1、已知单位负反馈系统开环传递函数如下，试分别求出当、、时系统的稳态误差终值。 2、已知单位负反馈系统开环传递函数如下，试分别求出当、、时系统的稳态误差终值。 3、已知单位负反馈系统开环传递函数如下，试分别求出当、、时系统的稳态误差终值。 4、某单位负反馈系统，开环传递函数为 当输入信号为时，求系统的稳态误差。 5、设单位负反馈系统的开环传递函数为，试求当输入信号 时，系统的稳态误差。 6、已知单位反馈控制系统的开环传递函数，试求位置误差系数 、速度误差系数和加速度误差系数，并确定输入时，系统的稳态误差。

7、已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下试求位置误差系数、速度误差系数和加速度误差系数，并确定输入时，系统的稳态误差。 8、已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下：试求位置误差系数、速度误差系数 和加速度误差系数，并确定输入时，系统的稳态误差。 9、已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下 试求输入分别为和时，系统的稳态误差。 10、已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下试求输入分别为和时，系统的稳态误差。 11、已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下 试求输入分别为和时，系统的稳态误差。 12、已知单位负反馈系统的开环传递函数为，试根据下述要求确定的取值范围。当时，其稳态误差 13、已知单位反馈控制系统的开环传递函数为

试分别求出当输入信号为时，系统的稳态误差。 14、已知单位负反馈系统的闭环传递函数分别为 ， 试求系统的静态位置误差系数、静态速度误差系数和静态加速度误差系数，并求r(t)=10+5t 时系统的稳态误差。 15、复合控制系统如图示。其中K1=2K2=1，T2=0.25s，K2K3=1。求 当时，系统的稳态误差 16、对于图所示系统，试求： (1) 当、时，系统的稳态误差。 (2) 当、时，系统的稳态误差。 17、图所示为仪表伺服系统框图，试求取时的稳态误差

单位负反馈系统校正——自动控制原理课程设计

目录 1．设计题目 .......................................................... 错误！未定义书签。 2.摘要 (2) 3、未校正系统的分析 (3) 3.1.系统分析 (3) 3.2.单位阶跃信号下系统输出响应 (4) 4、系统校正设计 (7) 4.1.校正方法 (7) 4.2.设计总体思路 (7) 4.3.参数确定 (8) 4.4.校正装置 (9) 4.5.校正后系统 (10) 4.6.验算结果 (11) 5、结果 (13) 5.1.校正前后阶跃响应对比图 (13) 5.2.结果分析 (14) 6、总结体会 (15) 7、参考文献 (16)

1．设计题目 设单位负反馈系统的开环传递函数为： ))101.0)(1(/()(++=s s s K s G 用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能： 1）相角裕度045≥γ ； 2）在单位斜坡输入下的稳态误差为0625.0≥ss e ； 3）系统的穿越频率大于2rad/s 。 要求： 1）分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后- 超前校正）； 2）详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode 图，校 正装置的Bode 图，校正后系统的Bode 图）； 3）用Matlab 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）； 4）校正前后系统的单位阶跃响应图。

2.摘要 用频率法对系统进行超前校正的实质是将超前网络的最大超前角补在校正后系统开环频率特 性的截止频率处，提高校正后系统的相角裕度和截止频率，从而改善系统的动态性能。为此，要求校正网络的最大相位超前角出现在系统的截止频率处。只要正确地将超前网络的交接频率1/aT和1/T设置在待校正系统截止频率Wc的两边，就可以使已校正系统的截止频率Wc和相裕量满足性能指标要求，从而改善系统的动态性能。串联超前校正主要是对未校正系统在中频段的频率特性进行校正。确保校正后系统中频段斜率等于－20dB/dec，使系统具有45°～60°的相角裕量。以加快系统的反应速度，但同时它也削弱了系统抗干扰的能力。在工程实践中一般不希望系数a值很大，当a＝20时，最大超前角为60°，如果需要60°以上的超前相角时，可以考虑采用两个或两个以上的串联超前校正网络由隔离放大器串联在一起使用。在这种情况下，串联超前校正提供的总超前相角等于各单独超前校正网络提供的超前相角之和。 2. abstract With the frequency method of the system is the essence of advanced correction will lead the network maximum lead angle compensation at cut-off frequency after correction of opened loop frequency characteristics of the system, improve the correction system phase margin and cut-off frequency, so as to improve the dynamic performance of the system. To this end, the maximum phase lead angle of the network is required to appear at the cut-off frequency of the system. As long as the right on both sides of the advance network handover frequency 1/aT and 1/T set the cutoff frequency of the Wc in the correction system, can make the cutoff frequency Wc has correction system and phase margin meet performance requirements, so as to improve the dynamic performance of the system. Series lead correction is to correct the frequency characteristic of the system in the middle frequency band. Ensure that the corrected system of intermediate frequency is equal to the slope of 20dB/dec, the system has 45 degrees to 60 degrees of phase margin. In order to speed up the system's reaction speed, it also weakens the ability of the system to resist interference. Great general hope coefficient a value in engineering practice, when a = 20, the maximum lead angle is 60 degrees, if you need to advance angle above 60 degrees, you can consider using two or more than two series leading correction network by isolation amplifier is connected in series with the use of. In this case, series leading correction is equal to the total advance angle to provide separate lead network and provide advance angle. 关键词：串联超前校正; 动态性能; 相角裕度 Key words: Series lead correction ;Dynamic performance ;Phase margin

串联超前滞后校正装置课程设计

课题：串联超前滞后校正装置专业：电气工程及其自动化班级：一班 学号： 姓名： 指导教师： 设计日期：2013.12.6-2013.12.12成绩：

自动控制原理课程设计报告 一、设计目的 () （1）掌握控制系统设计与校正的步骤和方法。 （2）掌握对控制系统相角裕度、稳态误差、剪切频率、相角穿越频率以及增益裕度的求取方法。 （3）掌握利用Matlab对控制系统分析的技能。熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。 （4）提高控制系统设计和分析能力。 （5）所谓校正就是在系统不可变部分的基础上，加入适当的校正元部件，使系统满足给定的性能指标。校正方案主要有串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。确定校正装置的结构和参数的方法主要有两类，分析法和综合法。分析法是针对被校正系统的性能和给定的性能指标，首先选择合适的校正环节的结构，然后用校正方法确定校正环节的参数。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正这三种类型。超前校正通常可以改善控制系统的快速性和超调量，但增加了带宽，而滞后校正可以改善超调量及相对稳定度，但往往会因带宽减小而使快速性下降。滞后-超前校正兼用两者优点，并在结构设计时设法限制它们的缺点。 二、设计要求(姬松) 1．前期基础知识，主要包括MATLAB系统要素，MATLAB语言的变量与语句，MATLAB的矩阵和矩阵元素，数值输入与输出格式，MATLAB系统工作空间信息，以及MATLAB的在线帮助功能等。 2．控制系统模型，主要包括模型建立、模型变换、模型简化，Laplace变换等等。 3．控制系统的时域分析，主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零

自动控制原理第6章习题解——邵世凡

习 题 6 6-1 设控制系统的开环传递函数为： ()()() s s s s G 1.015.0110++= 绘出系统的Bode 图并求出相角裕量和幅值裕量。若采用传递函数为(1+0.23s)/(1+0.023s)的串联校正装置，试求校正后系统的幅值和相角裕度，并讨论校正后系统的性能有何改进。 6—2设控制系统的开环频率特性为 ()()()() ωωωωωj j j j H j G 25.01625.011++= ①绘出系统的Bode 图，并确定系统的相角裕度和幅值裕度以及系统的稳定性； ②如引入传递函数()()() 0125.025.005.0++=s s s G c 的相位滞后校正装置，试绘出校正后系统的Bode 图，并确定校正后系统的相角裕度和幅值裕度。 6 3设单位反馈系统的开环传递函数为 ()()() 8210++=s s s s G 设计一校正装置，使静态速度误差系数K v =80，并使闭环主导极点位于s=-2±j23。 6-4设单位反馈系统的开环传递函数为 ()()() 93++=s s s K s G ①如果要求系统在单位阶跃输入作用下的超凋量σ =20％，试确定K 值； ②根据所确定的K 值，求出系统在单位阶跃输入下的调节时间t s 。，以及静态速度误差系数； ③设计一串联校正装置，使系统K v ≥20，σ≤25％，t s 减少两倍以上。 6 5 已知单位反馈系统开环传递函数为 ()()() 12.011.0++=s s s K s G 设计校正网络，使K v ≥30，γ≥40o，ωn ≥2.5，K g ≥8dB 。 6-6 由实验测得单位反馈二阶系统的单位阶跃响应如图6-38所示．要求 ①绘制系统的方框图，并标出参数值； ②系统单位阶跃响应的超调量σ =20％， 峰值时间t p =0.5s ，设计适当的校正环节并 画出校正后系统的方框图。 6-7设原系统的开环传递函数为 ()()() 15.012.010++=s s s s G 要求校正后系统的相角裕度γ=65o。，幅值裕度K g =6dB 。 ①试求串联超前校正装置；

单位负反馈系统的校正装置设计(优选材料)

课 程 设 计 题 目: 单位负反馈系统的校正装置设计 初始条件： 已知某控制系统结构如图所示，要求设计校正环节Gc （s ），使系统对于阶跃输入的稳态误差为0，使系统校正后的相角裕量045≥γ，幅值裕量dB h 10≥. 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） （1） 用MATLAB 作出原系统的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕 度。 （2） 在系统前向通路中插入一校正装置，确定校正网络的传递函数，并 用MATLAB 进行验证。给出所设计的校正装置电路图，并确定装置的 各参数值。 （3） 用MATLAB 画出未校正和已校正系统的根轨迹。 R(t) -- ) 01)(1(010++s s s

（4）用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标。 （5）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须进行原理分析，写清楚分析计算的过程及其比较分析的结果，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排： 任务时间（天）指导老师下达任务书，审题、查阅相关资 2 料 分析、计算 2 编写程序 1 撰写报告 2 论文答辩 1 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日

目录 1 设计题目 (1) 2 要求完成的主要任务 (1) 3 设计的总体思路 (1) 4 用MATLAB作出原系统的系统伯德图和根轨迹 (2) 5 超前校正过程 (4) 6 滞后校正过程 (6) 7 用simulink仿真 (10) 8 设计总结 (13) 参考文献 (14)

控制系统的超前校正设计..

控制系统的超前校正设计 摘要：用MATLAB 进行控制系统的超前校正设计是对所学的自动控制原理的初步运用。本课程设计先针对校正前系统的稳定性能，用MATLAB 画出其根轨迹、奈奎斯特曲线及伯德图进行分析，是否达到系统的要求，然后对校正装置进行参数的计算和选择，串联适当的超前校正装置。最后用MATLAB 对校正前后的系统进行仿真分析，校正后的系统是否达到要求，并计算其时域性能指标。 关键词： 超前校正 根轨迹 伯德图 仿真 1. 超前校正的原理和方法 1.1超前校正的原理 所谓校正，就是在调整放大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标的情况下，加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，达到设计要求。 无源超前网络的电路如图1所示。 如果舒服信号源的内阻为零，输出端的负载阻抗视为无穷大，那么超前网络 的传递函数可以表示为： 1a s a c s 1s T G T ++（）= ………………………………………………(2-1) 上式中，122a 1R R R += >， 1212 R R T C R R =+……………………（2-3） 通常情况下，a 为分度系数，T 为时间常数，根据式（2-1），当我们采用无源超前网络进行串联校正的时候，整个系统的开环增益会下降a 倍，所以需要提高放大器的增益来进行补偿。 图1 无源超前网络电路图

同时，根据上式，我们可以得到无源超前网络c a s G （）的对数频率特性。超前网络对频率在1/aT 至1/T 之间的信号有这明显的微分作用，在该频率段内，输出信号相角比输入信号相角超前，这也即是超前校正网络名称的由来。 在最大超前角频率m ω处，具有最大超前角m ?。 超前网络的相角为： c arctga arctgT ?ωω-ω（）=T 将上式对ω求导并且令其为零，得到最大超前角频率： m 1/ω= 将上上式代入上式，得最大超前角： m a 1 arcsin a 1?-==+ ……………………………………（2-4） 同时还容易得到m c ''ω=ω。 最大超前角m ?仅仅与衰减因子a 有关，a 值越大，超前网络的微分效果越强。但是a 的最大值还受到超前网络物理结构的制约，通常情况下，a 取为20左右，这也就意味着超前网络可以产生的最大相位超前约为65°，如果所需要的大于65°的相位超前角，那么就可以采用两个超前校正网络串联实现，并且在串联的两个网络之间加入隔离放大器，借以消除它们之间的负载效应。 所以通过以上的分析发现，利用超前网络进行串联校正的基本原理，是利用超前网络的相角超前特性。只要正确的将超前网络的交接频率1/aT 或1/T 选在待校正系统截止频率的两旁，并适当的选择参数a 和T ，就可以使已校正系统的截止频率和相角裕度满足性能指标的要求，从而改善系统的动态性能，使校正后的系统具有以下特点： 1、低频段的增益满足稳态精度的要求； 2、中频段对数幅频特性的斜率为-20db/dec ，并且具有较宽频带，使系统具 有满足的动态性能； 3、高频段要求幅值迅速衰减，以减少噪声的影响。 1.2超前校正的应用 系统的闭环稳态性能要求，可通过选择已校正系统的开环增益来保证。用频

自动控制原理 邢春芳 第3章习题参考答案

参考答案 3-1. 设温度计需要在一分钟内指示出响应值的98%，并且假设温度计为一阶系统，求时间常数T 。如果将温度计放在澡盆内，澡盆的温度以10/min C ?的速度线性变化，求温度计的误差。 解：()()98%c t c =∞?，41min t T ==，0.25T =； ()10r t t =，()10()t T c t t T e -=-+，()()()10()t T e t r t c t T e -=-=-，lim ()10 2.5ss t e e t T →∞ === 3-2．已知单位负反馈系统的开环传递函数为 4()5 G s s = + 求系统的单位阶跃响应。 解：24()54s s s φ= ++，1 ()R s s = ， 2 14 44133()()()(54)(4)(1)41 C s s R s s s s s s s s s s φ=?===+-++++++； 414 ()133 t t c t e e --=+- 3-3. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为 1 ()(1) G s s s = + 求系统的上升时间r t 、峰值时间p t 、超调量%σ和调整时间s t 。 解：2 ()1()1G s R s s s =++，2121n n ωωξ?=? ?=??，10.5 n ωξ=??=?， 0.866d ω=，arccos 60βξ?== 2.42r d t πβω-==s ， 3.63p d t πω==s ，%100%16%e σ=?=，4 8s n t ξω= =s 3-4. 已知系统的单位阶跃响应:为6010()10.2 1.2t t c t e e --=+-，试求： （1）系统的闭环传递函数； （2）系统的阻尼比ξ和无阻尼自然振荡频率n ω。 解：10.2 1.2600()6010(60)(10)C s s s s s s s =+-= ++++，1()R s s =， 2 ()600()70600C s R s s s =++，2600270n n ωωξ?=? ?=??，24.51.43n ωξ=??=? 3-5. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为： ()(1) K G s s Ts =+ 当()()r t t ε=时，系统的动态性能指标%30%σ=，0.3(5%)s t s ≤?=，求系统K 、T 值以满

基于MATLAB进行控制系统的滞后-超前校正设计

计算机控制技术 ------滞后-超前校正控制器设计 系别：电气工程与自动化 专业：自动化 班级：B110411 学号：B11041104 姓名：程万里

目录 一、 滞后-超前校正设计目的和原理 (1) 1.1 滞后-超前校正设计目的......................................................... 1 1.2 滞后-超前校正设计原理......................................................... 1 二、滞后-超前校正的设计过程 (3) 2.1 校正前系统的参数 (3) 2.1.1 用MATLAB 绘制校正前系统的伯德图................................. 3 2.1.2 用MATLAB 求校正前系统的幅值裕量和相位裕量.................. 4 2.1.3 用MATLAB 绘制校正前系统的根轨迹................................. 5 2.1.4 对校正前系统进行仿真分析.............................................5 2.2 滞后-超前校正设计参数计算 (6) 2.2.1 选择校正后的截止频率c ω............................................. 6 2.2.2 确定校正参数β、2T 和1T (6) 2.3 滞后-超前校正后的验证 (7) 2.3.1 用MATLAB 求校正后系统的幅值裕量和相位裕量..................7 2.3.2 用MATLAB 绘制校正后系统的伯德图.................................8 2.3.3 用MATLAB 绘制校正后系统的根轨迹.................................9 2.3.4 用MATLAB 对校正前后的系统进行仿真分析 (10) 三、前馈控制 3.1 前馈控制原理..................................................................... 12 3.2控制对象的介绍及仿真......................................................... 12 四、 心得体会.............................................................................. 16 参考文献.......................................................................................17 附录 (18)

单位负反馈系统校正——自动控制原理课程设计

目录 1．设计题目............................. 错误！未定义书签。 2. 摘要 (2) 3、未校正系统的分析 (3) 3.1.系统分析 (3) 3.2.单位阶跃信号下系统输出响应 (4) 4、系统校正设计 (7) 4.1.校正方法 (7) 4.2.设计总体思路 (7) 4.3.参数确定 (8) 4.4.校正装置 (9) 4.5.校正后系统 (10) 4.6.验算结果 (11) 5、结果 (13) 5.1.校正前后阶跃响应对比图 (13) 5.2.结果分析 (14) 6、总结体会 (15) 7、参考文献 (16)

1．设计题目 设单位负反馈系统的开环传递函数为： ))101.0)(1(/()(++=s s s K s G 用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能： 1）相角裕度045≥γ ； 2）在单位斜坡输入下的稳态误差为0625 .0≥ss e ； 3）系统的穿越频率大于2rad/s 。 要求： 1）分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后- 超前校正）； 2）详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode 图，校 正装置的Bode 图，校正后系统的Bode 图）； 3）用Matlab 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）； 4）校正前后系统的单位阶跃响应图。

2.摘要 用频率法对系统进行超前校正的实质是将超前网络的最大超前角补在校正后系统开环频率特 性的截止频率处，提高校正后系统的相角裕度和截止频率，从而改善系统的动态性能。为此，要求校正网络的最大相位超前角出现在系统的截止频率处。只要正确地将超前网络的交接频率1/aT和 1/T设置在待校正系统截止频率Wc的两边，就可以使已校正系统的截止频率Wc和相裕量满足性能 指标要求，从而改善系统的动态性能。串联超前校正主要是对未校正系统在中频段的频率特性进行校正。确保校正后系统中频段斜率等于－20dB/dec，使系统具有45°～60°的相角裕量。以加快系统的反应速度，但同时它也削弱了系统抗干扰的能力。在工程实践中一般不希望系数a值很大，当a＝20时，最大超前角为60°，如果需要60°以上的超前相角时，可以考虑采用两个或两个以上的串联超前校正网络由隔离放大器串联在一起使用。在这种情况下，串联超前校正提供的总超前相角等于各单独超前校正网络提供的超前相角之和。 2. abstract With the frequency method of the system is the essence of advanced correction will lead the network maximum lead angle compensation at cut-off frequency after correction of opened loop frequency characteristics of the system, improve the correction system phase margin and cut-off frequency, so as to improve the dynamic performance of the system. To this end, the maximum phase lead angle of the network is required to appear at the cut-off frequency of the system. As long as the right on both sides of the advance network handover frequency 1/aT and 1/T set the cutoff frequency of the Wc in the correction system, can make the cutoff frequency Wc has correction system and phase margin meet performance requirements, so as to improve the dynamic performance of the system. Series lead correction is to correct the frequency characteristic of the system in the middle frequency band. Ensure that the corrected system of intermediate frequency is equal to the slope of 20dB/dec, the system has 45 degrees to 60 degrees of phase margin. In order to speed up the system's reaction speed, it also weakens the ability of the system to resist interference. Great general hope coefficient a value in engineering practice, when a = 20, the maximum lead angle is 60 degrees, if you need to advance angle above 60 degrees, you can consider using two or more than two series leading correction network by isolation amplifier is connected in series with the use of. In this case, series leading correction is equal to the total advance angle to provide separate lead network and provide advance angle. 关键词：串联超前校正; 动态性能 ; 相角裕度 Key words: Series lead correction ;Dynamic performance ;Phase margin