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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 晶闸管 -直流电机调速系统 所学专业名称 自动化 班 级 自动化 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 2015 年月日电气学院 自动控制原理 课程设计任 务 书设计名称: 晶闸管 -直流电机调速系统 学生姓名: 指导教师: 起止时间:自 2015 年 12 月 13 日起 至 2015 年 12 月 26 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:晶闸管-直流电机调速系统如图所示 (ksm10)1、画出未校正系统的根轨迹图,分析系统是否稳定。2、对系统进行串联校正,要求校正后的系统满足指标:(1)相角稳定裕度 Pm>40º , 幅值稳定裕度 Gm>13。(2)在阶跃信号作用下,系统超调量 Mp40º , 幅值稳定裕度 Gm>13。 (2)在阶跃信号作用下,系统超调量 Mp<25%,调节时间 Ts<0.15 秒。 从下图可以看出未校正的伯德图中可以看出;系统不满足校正要求, 输入以下函数:n1=10;d1=[4.099e-007 0.0002695 0.01476 0.1925];sys1=tf(n1,d1); [z,p,k]=tf2zp(n1,d1); z1=[z -1]; p1=[-598.6366 -38.4242 -20.4167 -170] sys=zpk(z1,p1,k); w=logspace(-1,5);figure(1);bode(sys,w);margin(sys); figure(2);nyquist(sys); figure(3);rlocus(sys) grid on;自动控制原理课程设计5校正前的伯德图:校正后的伯德图:-150-100-50050Magnitude (dB)10-210-1100101102103104105-270-180-90090Phase (deg)Bode D iagram G m = 13.4 dB (at 383 rad/sec) , P m = 51.5 deg (at 162 rad/sec)F requency (rad/sec)从上图可以看出,校正后的伯德图中,pm=51.5,gm=13.4,通过计算可知其系统超调量Mp=20%<25%,调节时间 Ts=0.8 秒<0.15 秒。满足系统的要求。-150-100-50050Magnitude (dB)Bode Diagram Gm = -0.433 dB (at 190 rad/sec) , Pm = -0.825 deg (at 194 rad/sec)Frequency (rad/sec)10-1100101102103104105-270-180-900Phase (deg)自动控制原理课程设计63.33.3 分别画出校正前校正后和校正装置的幅频特性图分别画出校正前校正后和校正装置的幅频特性图校正前的幅频特性:校正后的幅频特性:-1-0.500.511.522.533.54-3-2-10123N yquist D iagramR eal AxisImaginary Axis-100102030405060-40-30-20-10010203040N yquist D iagramR eal AxisImaginary Axis自动控制原理课程设计7校正装置的幅频特性:-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81N yquist D iagramR eal AxisImaginary Axis3.3.13.3.1 给出校正装置的传递函数:给出校正装置的传递函数:G(s)=s+1/s+170; 从第一个未校正的伯德图中可以看到系统的指标不满足要求,此时幅值裕度和相角裕度都 偏小,考虑添加一个较小的零点,为-1,加上零点后,发现幅值裕度依然偏小,但是相交 裕度满足了要求,这时候再加上一个极点,经过几次的尝试得到极点-170 可以满足给定的 幅值裕度。此时满足第一个性能指标,在经过超调量和调节时间的计算公式来计算相应的 值,发现系统满足指标超调量 Mp=20%<25%,调节时间 Ts=0.8 秒<0.15 秒。3.43.4 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,并进行分析析校正前:-100102030405060-40-30-20-10010203040N yquist D iagramR eal AxisImaginary Axis自动控制原理课程设计8校正后:-1-0.500.511.522.533.54-3-2-10123N yquist D iagramR eal AxisImaginary Axis分析:由图可以看出,校正前是绕(-1,0j)1 圈,即 R=1,由奈氏判据得,p=0 所以 Z 不 等于 0,闭环系统不稳定。校正后的奈氏曲线未绕(-1,0j)点,R=0,则 Z 等于 0,闭环 系统稳定。3.53.5 分别画出系统校正前、后的的根轨迹图分别画出系统校正前、后的的根轨迹图。校正前:-1500-1000-5000500-1000-800-600-400-20002004006008001000R oot LocusR eal AxisImaginary Axisn1=10;d1=[4.099e-007 0.0002695 0.01476 0.1925];sys1=tf(n1,d1); [z,p,k]=tf2zp(n1,d1); z1=[z -1]; p1=[-598.6366 -38.4242 -20.4167 -170] sys=zpk(z1,p1,k); w=logspace(-1,5);figure(1);bode(sys,w);margin(sys); figure(2);nyquist(sys); figure(3);rlocus(sys) grid on;自动控制原理课程设计9-2000-1500-1000-5000500-1500-1000-5000500100015000.910.9750.140.280.420.560.70.820.910.9752505007501e+0031.25e+0031.5e+0031.75e+0032e+0030.140.280.420.560.70.82R oot LocusR eal AxisImaginary Axis从以上的校正后的根轨迹图可以看出,系统稳定。4 4 系统建模与仿真系统建模与仿真4.14.1 在在 SIMULINKSIMULINK 中建立系统的仿真模型,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。 4.1.14.1.1 这是未加环节时的这是未加环节时的 scopescope::012345678910-5-4-3-2-1012345自动控制原理课程设计104.1.24.1.2 加上饱和非线性环节:加上饱和非线性环节: 在下图中加入的是 saturation 模块是限幅的饱和特性模块,作用是对输入信号进行限幅。0123456789100246810124.1.34.1.3 加上回环非线性环节:加上回环非线性环节: 下图中加入的是 backlash 模块,是磁滞回环特性模块自动控制原理课程设计11自动控制原理课程设计12总结总结为期两周的自动控制原理课程设计做完了。通过这次课程设计,我对控制系统的校正有了更为深入的理解,但收获最大的还是在做设计的过程中,对问题的分析和计算有了很大的提高,同时也掌握了不少工程中计算的方法,为以后的设计奠定了更好的基础。另外,通过这次课程设计,我还学习了使用 Matlab 软件实现对控制系统的仿真和分析。本着严谨认真的态度,用毕业设计的论文格式作为标准来写这篇课程设计,同时也练习了对 Word 文字编辑软件的操作能力。在刚开始拿到设计题目的时候,感觉比较困惑,无从入手,难以将课堂上学习的东西应用到实际的设计中去。通过认真分析和参考一些资料,找到设计直流电机调速系统的一般方法,再结合自己的课题对系统进行校正,并对校正后的系统进行 Bode 图,Nyquist 曲线等等方法的分析,对其闭环稳定性进行分析。在分析的过程中,对分析问题,解决问题的能力有了很大的提高,在设计中积累了很多经验,也发现了很多自己的不足。作为一名电气自动专业的学生自控原理的课程设计是很有意义的,也是必要的,通过这种课设,不仅对理论知识理解更深,在实践上面也得到锻炼,总之,收获颇多。参考文献参考文献[1] 黄忠霖编. 自动控制原理的 MATLAB 实现[M].北京:国防工业出版社,2007.[2] 黄忠霖等编. 控制系统 MATLAB 计算及仿真[M].北京:国防工业出版社,2010.[3] 程 鹏编.自动控制原理[M].北京:高等教育出版社,2010.[4] 胡寿松.自动控制原理(第四版).北京科学出版社,2007[5] 胡寿松.自动控制原理(第五版).北京科学出版社,2007[6] 薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助技术.机械工业出版社,2005 [7] 蒋珉.控制系统计算机仿真.电子工业出版社,2006
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