12-温度控制系统滞后校正环节设计

牡丹江师范学院本科学生课程设计指导书题目控制系统的滞后校正设计班级 11级工业电气学号姓名指导教师王淑玉牡丹江师范学院2013 年11 月 15 日自控原理课程设计指导书课程名称：自动控制原理学时数：2周学分数：开课院、系（部）、教研室：物理和电子工程学院电子信息教研室执笔人：王淑玉编写时间：2013.11.10设计目的学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握自控原理设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计和调试能力。

二、设计任务（1）画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；（2）用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；三、设计内容和要求根据设计要求和已知条件，确定主要参数，计算并选取外电路的元件参数。

四、设计资料及有关规定字体符合要求，正确使用编程五、设计成果要求设计论文六、物资准备1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料2.到实验室准备器件作好实验准备七、主要图式、表式电路图、表要规范，符合设计要求八、时间安排2013.11.1 设计动员，发放设计任务书2013.11.2-2013.11.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2013.11.4-2013.11.10 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书2013.11.11 完成设计，交指导教师审阅2013.11.14 成绩评定九、考核内容和方式考核的内容包括：学习态度；技术水平和实际能力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；采取审定和答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。

十、参考书目1.田思庆，梁春英自动控制理论中国水利水电出版社 20132.魏克新，王云亮编著. MATLAB语言和自动控制系统设计.机械工业出版社,2000.3.王正林，王胜开编著. MATLAB/Simulink和控制系统仿真.电子工业出版社.4.（美）安德鲁，（美）威廉斯编著. 实用自动控制设计指南.化学工业出版社.5.黄忠霖编著. 自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007.6.彭雪峰，刘建斌编著. 自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.牡丹江师范学院本科学生课程设计任务书程名称：自控原理课程设计目录1.设计要求................................................ - 1 -2.设计原理................................................ - 1 -3.设计分析和计算.......................................... - 3 -3.1校正参数B的计算................................... - 3 -3.2校正参数a、T的计算................................ - 3 -3.3校正后系统的检验................................... - 4 -4.仿真程序、结果及结果分析................................ - 4 -4.1校正前系统的奈奎斯特曲线和伯德图................... - 4 -4.2校正后系统的奈奎斯特曲线和伯德图................... - 6 -4.3校正前后系统动态性能的比较......................... - 8 -5.参考文献............................................... - 10 -6.心得体会............................................... - 11 -滞后校正控制系统设计1.设计要求已知一单位负反馈系统的开环传递函数为 20210)(G 2+++=s s s s要求控制系统的性能指标为调节时间<5s,单位阶跃输入的稳态误差<0.1,相角裕度大于45度。

超前滞后校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解并掌握“超前滞后校正”的概念，了解其在控制系统中的应用。

2. 学生能够描述超前滞后校正对系统性能的影响，如稳定性、快速性和平稳性。

3. 学生能够运用数学工具分析超前滞后校正的设计方法和参数调整。

技能目标：1. 学生能够运用模拟软件进行超前滞后校正的设计和仿真。

2. 学生能够通过小组合作，解决与超前滞后校正相关的问题，并提出优化方案。

3. 学生能够运用图表、数据和文字，清晰、准确地表达校正前后的系统性能变化。

情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到学习自动控制原理在实际生活和工业中的重要性，增强学习兴趣。

2. 学生能够培养团队协作精神，学会倾听他人意见，尊重他人观点。

3. 学生能够树立正确的科学态度，勇于面对挑战，善于从失败中汲取教训，不断提高自身能力。

课程性质分析：本课程为自动控制原理的相关内容，通过讲解超前滞后校正，使学生了解控制系统性能优化的方法。

学生特点分析：学生具备一定的数学基础和控制理论基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。

教学要求：1. 结合实际案例，激发学生学习兴趣，注重理论与实践相结合。

2. 通过小组讨论、实验操作等形式，培养学生团队协作能力和实际操作能力。

3. 注重过程评价，关注学生在学习过程中的表现，及时给予指导和鼓励。

二、教学内容本课程教学内容主要包括以下三个方面：1. 理论知识：- 控制系统稳定性分析：回顾控制系统稳定性判据，如劳斯-赫尔维茨准则。

- 超前滞后校正原理：讲解超前滞后校正的概念、作用和分类。

- 校正参数设计：介绍超前滞后校正参数的设计方法，如根轨迹法、波特图法等。

2. 实践操作：- 软件仿真：使用MATLAB等软件，进行超前滞后校正的设计与仿真。

- 实验分析：通过实验设备，观察校正前后控制系统性能的变化，如阶跃响应、冲击响应等。

3. 教学案例：- 分析实际工业控制系统中应用超前滞后校正的案例，如电机转速控制、温度控制等。

题 目: 温度控制系统的滞后超前校正初始条件：某温箱的开环传递函数为 1.5()(61)sp e G s s s -=+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、 试用Matlab 绘制其波特图和奈奎斯特图，计算相角裕度和幅值裕度；2、 试设计滞后超前校正装置，使系统的相角裕度增加20度。

3、 用Matlab 对校正后的系统进行仿真，画出阶跃相应曲线时间安排：指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日温度控制系统的滞后超前校正1 滞后-超前校正设计目的和原理1.1 滞后-超前校正设计目的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。

在此课题中，滞后-超前校正设计的主要目的是使开环传递函数的相角裕度增加20度。

1.2 滞后-超前校正设计原理滞后-超前校正RC 网络电路图如图1所示：图1 滞后-超前校正RC 网络它的传递函数：)1)(1()1)(1()(asT s aT s T s T s G b a b a c ++++=其中a>1,(1+）s T a /(1+aT ）s a 为网络的滞后部分，(1+s T b )/(1+s T b /a)为网络的超前部分。

滞后-超前校正RC 网络特性如图2所示图2 滞后-超前校正RC 网络特性无源滞后-超前网络的对数幅频特性如上图，其低频部分和高频部分均起于和终于零分贝水平线。

温度控制系统滞后校正环节设计一、引言在工业生产过程中，温度控制是一个非常重要的环节。

为了保持生产过程的稳定性和质量，需要对温度进行精确的控制。

然而，由于温度传感器存在滞后问题，控制系统输出的温度信号将滞后于实际测量值。

为了解决这个问题，需要设计一个滞后校正环节，用于补偿温度的滞后。

二、滞后校正原理温度传感器的滞后现象主要是由于传感器自身的响应速度和传输延迟引起的。

传感器的响应速度是指传感器从接收输入信号到产生输出信号的过程中所需要的时间。

传输延迟是指信号从传感器到控制系统的传输时间。

滞后校正的原理是在温度控制系统的反馈回路中增加一个补偿环节，通过对输出信号进行滞后处理，实现对温度的滞后校正。

具体的滞后校正算法可以根据传感器的响应速度和传输延迟来确定。

1.滞后校正器的位置：滞后校正器应该放置在温度控制系统的反馈回路中，通常放在控制器的输出端。

2.滞后校正算法：滞后校正算法的设计需要考虑传感器的响应速度和传输延迟。

一种常用的滞后校正算法是通过对输出信号进行延迟处理，使得输出信号与实际温度值保持一致。

具体的算法可以根据实际需求来确定。

3.滞后校正器的参数调试：一旦滞后校正器的算法确定，就需要通过实验来调试滞后校正器的参数。

参数调试包括滞后时间和补偿幅度的确定。

滞后时间是指滞后校正器对输出信号的延迟时间，补偿幅度是指滞后校正器对输出信号的增益。

通过不断调试参数，使得滞后校正器对温度的滞后校正达到最佳效果。

4.稳定性分析：在设计滞后校正环节时，还需要进行稳定性分析。

稳定性分析是指分析滞后校正环节对温度控制系统稳定性的影响。

通过稳定性分析，可以确定滞后校正环节的参数范围，以保证温度控制系统的稳定性。

四、实验验证设计完成滞后校正环节后，还需要进行实验验证。

实验验证可以通过对比滞后校正前后的温度数据来评估滞后校正环节的性能。

实验结果应该接近滞后校正前的实际温度值，以验证滞后校正环节的效果。

五、总结滞后校正环节的设计是温度控制系统中非常重要的一个环节。

《计算机控制》课程设计报告仅供个人学习参考，禁止转载！题目: 滞后校正控制器设计姓名:学号:2016年6月12日《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2016年6 月12 日一、 设计过程解：（1）根据速度误差系数K v ＝301s -,求K 。

K V =0lim s →s ⋅G 0（s ）=K=30 （1） 所以)12.0)(11.0(30)(0++=s s s s G （2）（2）画出控制对象)12.0)(11.0(30)(0++=s s s s G 的Bode 图（3）计算剪切频率c ω，相角裕量γ。

c ω＝11.45rad/s （3）γ＝180°－90°－arctan （0.1c ω）－arctan(0.2c ω) ＝﹣25.3° （4） 系统不稳定，不满足条件（4）求出相角裕量2γ= γ＋ε处的频率2c ω，2c ω为加控制器后的穿越频率。

2γ＝40°＋6°＝46°，相角裕量为46°时对应2c ω为2.7rad/s,满足穿越频率大于2.3rad/s 的要求。

（5）被控对象bode 图在2c ω=2.7rad/s 处的增益为21dB,求出b.﹣20lgb ＝21,b ＝0.09 （5） （6）令1bT ＝22c ω~210c ω,求出T 。

取 1bT ＝210c ω＝2.710，bT ＝3.7s ，T ＝41.1s （6）（7）此时滞后控制器为C （s ）＝11bTs Ts ++＝1 3.7141.1ss++ （7） 校正后的开环传递函数G(s) ＝C(s)·0G (s) ＝1 3.7141.1s s ++·30(0.11)(0.21)s s s ++ （8）（8）验证加控制器后的系统的性能指标。

相角裕度＝41.3°≥40°，ω＝6.8rad/s相位穿越－180°时的频率gω)G(j gω) |＝10.5dB≥10dB,满足要求。

目录1 系统开环传递函数分析 (1)1.1比例环节--1 (1)1.2积分环节--1/S (1)1.3惯性环节--1/(6s+1) (1)1.4延迟环节--e-1.5s (2)1.5开环传递函数--Gp(s) (2)2 利用Matlab分析传递函数 (3)2.1绘制根轨迹图 (3)2.2绘制伯德图 (3)2.3绘制奈奎斯特图 (4)2.4相角裕度和幅值裕度的计算 (5)2.4.1计算相角裕度 (5)2.4.2计算幅值裕度 (5)3设计滞后超前校正装置 (6)3.1无源滞后—超前校正装置 (6)3.2确定校正函数 (6)3.2.2检验相角裕度 (7)3.2.3绘制校正后的系统传递函数的对数坐标图 (7)3.3校正装置参数设置 (9)4校正后系统的仿真以及其阶跃响应曲线 (10)4.1仿真校正前的系统 (10)4.2仿真校正后的系统 (10)结束语 (12)参考文献 (13)摘要自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。

它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。

根据被控对象及给定的技术指标要求设计自动控制系统，但由于控制对象和控制器的基本组成部分构成的反馈控制系统性能一般比较差，所以在设计中要对系统进行校正使其有良好的性能。

本次课程设计通过对高阶系统传递函数的时域分析和频域分析，计算系统动态性能和稳态性能参数。

并通过根轨迹图、伯德图和nyquist图，分析系统的状态、截止频率、幅值裕度和相角裕度。

本文是利用《自动控制原理》中所学的知识，结合课外学习的知识，对温度控制系统进行滞后超前校正使其满足相应的条件，并计算分析其相关特性。

关键字：控制系统传递函数频域分析相角裕度滞后超前校正1 系统开环传递函数分析1.1比例环节--1系统传递函数G p(s)的比例环节为1，它的基本特性如下：比例环节的传递函数为：G(s)=1，频率特性为：G(jw)=1；幅值特性为：A(w)=|G(jw)|=1，相频特性为：ϕ(w)=∠G(jw)=0°；对数幅频特性为：L(w)=20lgA(w)=20lg1=0，对数相频特性为：ϕ(w)=0°；对数幅频特性L(w)是w轴线。

课程设计任务书学生姓名： 专业班级：自动化11指导教师： 谭思云 工作单位： 自动化学院题 目: 温度控制系统滞后校正环节设计 初始条件： 传递函数为))(s/)(s .(s/K G(s)121150+++=的三阶系统描述了一个典型的温度控制系统。

用滞后补偿设计满足给定性能指标的补偿环节。

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） 设计滞后补偿环节，使系统满足9=P K 和相角裕度 40≥PM 的性能指标；（2） 画出系统在（1）校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；（3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；（4） 用Matlab 画出校正前后系统的根轨迹（5） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，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：（1） 课程设计任务书的布置，讲解 （半天）（2） 根据任务书的要求进行设计构思。

（半天）（3） 熟悉MATLAB 中的相关工具（一天）（4） 系统设计与仿真分析。

（三天）（5） 撰写说明书。

（二天）（6） 课程设计答辩（半天）指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日附件5：课程设计说明书统一书写格式设计题目正文题序层次是文章结构的框架。

章条序码统一用阿拉伯数字表示，题序层次可以分为若干级，各级号码之间加一小圆点，末尾一级码的后面不加小圆点，层次分级一般不超过4级为宜，示例如下：╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳。

课程设计2016年12月23日课程设计任务书学生姓名：题目: 控制系统的滞后校正设计初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是现要求系统的静态速度误差系数15-=s K v ，相角裕度 40≥γ，并且幅值裕度不小于10分贝。

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 作出满足初始条件的K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕度。

（2） 系统前向通路中插入一相位滞后校正环节，确定校正网络的传递函数，并用MATLAB 进行验证。

（3） 用MATLAB 画出未校正和已校正系统的根轨迹。

（4） 用Matlab 画出已校正系统的单位阶跃响应曲线、求出超调量、峰值时间、调节时间及稳态误差。

（5）课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB 程序和MATLAB 输出。

说明书的格式按照教务处标准书写。

时间安排：指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日)5.01)(1()(s s s Ks G ++=目录1 滞后校正特性及校正方法 (1)1.1滞后校正特性原理 (1)1.2滞后校正的使用条件 (2)1.3应用频率法设计串联滞后校正网络的基本步骤 (2)2对校正前系统进行分析 (3)2.1校正前参数近似确定 (3)2.1.1确定开环增益K (3)2.1.2解出截止频率0cω和相角裕度0γ (3)2.3.1编程思路 (4)2.3.2程序及结果 (4)3 滞后校正传递函数设计 (5)3.1判断是否满足条件 (5)3.2求校正后的截止频率'c ω (5)3.3确定参数b (5)3.4确定参数T (5)3.5确定串联滞后校正网络的传递函数 (5)3.6检验校正后的性能指标 (5)3.7运用matlab进行验算 (5)3.7.1编程思路 (5)3.7.2程序及结果 (6)4系统根轨迹的绘制 (7)4.1未校正系统根轨迹的绘制 (7)4.2校正系统根轨迹的绘制 (7)4.2.1编程思路 (7)4.2.2程序及结果 (8)5校正后阶跃响应分析 (9)5.1编程思路 (9)5.2程序及结果 (9)心得体会 (11)参考文献 (12)摘要本题已知单位反馈系统的开环传递函数，要求对系统进行校正设计。

1 无源滞后校正的原理1.1设计原理所谓校正，就是在系统中加入一些其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，从而满足给定的各项性能指标。

系统校正的常用方法是附加校正装置。

按校正装置在系统中的位置不同，系统校正分为串联校正、反馈校正和复合校正。

按校正装置的特性不同，又可分为PID 校正、超前校正、滞后校正和滞后-超前校正。

这里我们主要讨论串联校正。

一般来说，串联校正设计比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要的形式变化。

在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适于采用串联校正;在交流载波控制系统中，如果采用串联校正，一般应接在解调器和滤波器之后，否则由于参数变化和载频漂移，校正装置的工作稳定性很差。

串联超前校正是利用超前网络或PD 控制器进行串联校正的基本原理，是利用超前网络或PD 控制器的相角超前特性实现的，使开环系统截止频率增大，从而闭环系统带宽也增大，使响应速度加快。

1.2 无源滞后网络校正的原理无源滞后网路电路图如下。

1R图1-1无源滞后网络电路图如果信号源的内部阻抗为零，负载阻抗为无穷大，则滞后网络的传递函数为T s T s Ts Ts s U s U s G c 1111)()()(12++⋅=++==ααα分度系数时间常数在设计中力求避免最大滞后角发生在已校系统开环截止频率''c ω附近。

如图1-2所示，选择滞后网络参数时，通常使网络的交接频率Tα1远小于''c ω一般取=T α1''c ω/10图1-2校正装置的波德图当它与由于滞后校正网络具有低通滤波器的特性，因而系统的不可变部分串联相连时，会使系统开环频率特性的中频和高频段增益降低和截止频率减小，从而有可能使系统获得足够大的相位裕度，它不影响频率特性的低频段。

由此可见，滞后校正在一定的条件下，也能使系统同时满足动态和静态的要求。

1.3 设计步骤所研究的系统为最小相位单位反馈系统，则采用频域法设计串联无源滞后网络的步骤如下：C R R T R R R )(121212+=<+=α1） 根据稳态误差要求，确定开环增益K 。