计算机控制课程设计-超前校正控制器设计
30页1、计算机控制课程设计报告题目:超前校正控制器设计姓名: 学号: 2015 年 6 月 12 日1/29计算机控制课程设计任务书学号 班级学生 指导教师题目 超前校正控制器设计设计时间 2014 年 6 月 5 日至 2014 年 6 月 12 日共 1 周设计要求设计任务:设单位反馈系统的开环传递函数为 ,)5.0()0sKG采用模拟设计法设计超前校正数字控制器,使校正后的系统满足如下指标:(1) 速度误差 ;(2) 相角裕度2Kv; (3) 幅值裕度 dB。o5010g方案设计:1. 完成控制系统的分析、设计;2. 选择元器件,完成电路设计,控制器采用 MCS-51 系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及),使用 Protel 绘制原理图;3. 编程实现单片机上的控制算法。报告内容:1. 控制系统仿真和设计步骤,应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程;2. 元器件选型,电路设计,以及绘制的 Protel 原理图;3. 软件流程图,以及含有详细注释的源程序;4. 设计工作总结及心得体会;5. 列出所查阅的参考资料。指导教师签字:系(教研室)主任
2、签字:2015 年 6 月 5 日2/291.控制系统的分析和设计1.1 实验要求设单位反馈系统的开环传递函数为 ,采用模拟设计法设)15.0()0sKG计超前校正数字控制器,使校正后的系统满足如下指标:(1) 速度误差 ;20Kv(2) 相角裕度 ; (3) 幅值裕度 dB。o501g1.2 系统分析(1)首先调整增益 K 使系统的稳态误差满足要求,即系统应首先满足速度误差系数的要求,为使系统满足速度误差系数的要求可得:(1)0lim20(.5)SKvs故可求得:(2)0Kv(2)用 matlab 画出未校正前系统的 bode 图(2.1)matlab 程序如下:numl=0 0 20;denl=0.5 1 0;G=tf(numl,denl);W=logspace(-1,2,200);bode(G,W)margin(G);Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(G);Gm,Pm,Wcg,Wcp(2.2)程序运行结果: Untitled1ans =3/29Inf 17.9642 Inf 6.1685(2.3)bode 图为:-50050Magnitude (dB)10-1 100 1
3、01 102-180-135-90Phase(deg)Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , Pm = 18 deg (at 6.17 rad/s)Frequency (rad/s)图 1 未校前正系统的 bode 图(2.4)系统性能分析及校正方法选择:由仿真结果知:当系统的速度误差系数满足要求时,系统的幅值裕度为无穷大,故幅值裕度满足要求;而系统的相角裕度为 17.9642,小于要求值 50,因此,需要串联一个超前环节来对系统进行校正,即采用串联超前校正。1.3 模拟控制器设计(1) 、确定剪切频率 :c由未校正系统的 bode 图可得:20 lg20=20lg2+4lg(3)2wc4/29从而求得:(4)0216.3/crads进而可得相角裕度为:。 (5)0189artn(*)9rctn(0.5*21)7.6rwTo o o(2) 、由分析知系统应引进相位超前校正网络,故设控制器的传递函数为。 (6)1()SGcs()(3) 、计算所需的相角超前量 ,由题意知:m。 (7)0517.638mroo(4) 、根据 可以确定系数 :38。
4、(8)sinsi0.2413mo(5) 、对应于 的 处的幅值增量应为:mw(9)110lgl6.20.4dB所以在校正前系统的 bode 图上有:(10)26.20lg1.5dBwcc所以解得: 。 (11)9/mrads(6) 、校正装置的转折频率分别为:(12)14./rsT(13)2/90.218.3/wrads(14)1.34(15)故矫正装置的传递函数为:(16)0.231()5SGcs(7) 、校正后系统的开环传递函数为:5/29(17)0 320.231204.60()()5(.51).75SSGscsS(8) 、根据校正后的开环频率特性验算相角裕度和幅值裕度:1()1890arctn(.23)arctn(0.)arctn(0.5).43rwcwwoo o(18) 、 (19)KgdB综上,在 的前提下,校正后系统的剪切频率为: ,相角裕2v 9/crds度大于 ,幅值裕度为 ,完全满足系统静动态性能指标要求。50o(9) 、对校正后的网络进行 matlab 仿真:(9.1) 、matlab 程序为:numc=0.23 1;denc=0.055 1;Gc=tf(numc
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