自动控制原理课程设计

电子与电气工程学院

课程设计报告

课程名称自动控制原理

设计题目位置随动系统的超前校正所学专业名称自动化

班级自动化141

学号2014211041

学生姓名徐兴

指导教师欧美英

2016年12月10日

电气学院 自动控制原理 课程设计

任 务 书

设计名称： 位置随动系统的超前校正 学生姓名： 徐 兴 指导教师： 欧美英 起止时间：自 2016 年 12 月 10 日起 至 2016 年 12 月 17 日止

一、课程设计目的

1、通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。

2、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。

3、理解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。

4、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。

5、从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。

二、课程设计任务和基本要求 设计任务：

单位负反馈随动系统的开环传递函数为

)

1s 001.0)(1s .1.0(s K

)s (G 0++=

1、画出未校正系统的Bode 图，分析系统是否稳定

2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。

3、设计系统的校正装置，使系统达到下列指标

（1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差≤0.001

（2）超调量Mp<30%，调节时间Ts<0.05秒。

（3）相角稳定裕度在Pm >45°, 幅值定裕度Gm>20。

4、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。

5、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的剪切频率Wcp和 穿频率Wcg。

6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。

7、在SIMULINK中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。

8、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。

基本要求：

（1）、能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。

（2）、能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。

（3）、能灵活应用MATLAB分析系统的性能。

电气学院自动控制原理课程设计

指导老师评价表

目录

摘要与关键词 (1)

1 位置随动系统原理 (2)

1.1 位置随动系统原理图 (2)

1.2 各部分传递函数 (2)

1.3 位置随动系统结构框图 (5)

1.4 位置随动系统的信号流图 (5)

1.5 相关函数的计算 (6)

1.6 对系统进行MATLAB仿真 (7)

2 系统超前校正 (8)

2.1 校正网络设计 (8)

2.2 对校正后的系统进行Matlab仿真 (10)

3 对校正前后装置进行比较 (12)

3.1 频域分析 (12)

3.2 时域分析 (12)

4 总结及体会 (14)

参考文献 (14)

摘要与关键词

摘要：随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。

位置随动系统要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性为位置随动系统的主要特征。

本次课程设计研究的是位置随动系统的超前校正，并对其进行分析。

关键字：随动系统；超前校正；相角裕度

1 位置随动系统原理

1.1 位置随动系统原理图

图1-1 位置随动系统原理图

系统工作原理：

位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理图如图1-1所示。

在图1-1中测量元件为由电位器Rr 和Rc 组成的桥式测量电路。负载固定在电位器Rc 的滑臂上，因此电位器Rc 的输出电压Uc 和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压ΔU=Ur-Uc ，经放大器放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差ΔU=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时δ=δL ,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。

1.2 各部分传递函数

(1)自整角机：

作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。

12()(()())()u t K t t K t εεθθθ=-=∆ (1-1)零初始条件下，对上式求拉普拉斯变换，可求得电位器的传递函数为

()

()()

U s G s K s ε==∆Θ

(1-2)自整角机可用图1-2的方框图表示

(2)功率放大器：

由于运算放大器具有输入阻抗很大，输出阻抗小的特点，在工程上被广泛用来作信号放大器。其输出电压与输入电压成正比，传递函数为 1()

()()

a a U S G s K U S =

=

(1-3)式中U a 为输出电压，U 1为输入电压，Ka 为放大倍数。 结构图如图1-3

图1-3 功率放大器

(3)两相伺服电动机：

22()()

()m m m

m a d t d t T k u t dt dt

θθ+= (1-4)拉普拉斯变换为2

()()()m m m a T s s s k u s θ+=，于是可得伺服电机传递函数

()

()()

(1)

m m

a m s k G s u s s T s θ=

=

+

(1-5)其中 )m a a m e T R J R f C C =+是电动机机电时间常数;()m m a m e K C R f C C =+是

图1-2 自整角机