【文章內(nèi)容簡介】 .................................................... 32 MATLAB /SIMULINK ................................................................................................ 33 第六章 設(shè)計總結(jié) .............................................................................................................................. 38 第一節(jié) 設(shè)計體會 ........................................................................................................................ 38 第二節(jié) 致謝 ................................................................................................................................ 38 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................ 39 附錄 英文文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 40 一 英文原文 ............................................................................................................................ 40 二 英文翻譯 .................................................................................................................................. 45 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁 共 54 頁 前 言 自動控制，就是在沒有人參與的情況下，通過控制器或者控制裝置來控制機器或者設(shè)備等物理裝置，使得機器設(shè)備的受控物理量按照希望的規(guī)律變化，達(dá)到控制的目的。 對于一個控制系統(tǒng)首要的要求是系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性。否則系統(tǒng)無法正常工作，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備毀壞，造成重大損失。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提之下，要求系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都要好。系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都是由相應(yīng)的性能指標(biāo)來描述的，比如誤差，百分比超調(diào)，調(diào)節(jié)時間，穩(wěn)定裕度等等。在此，對于系統(tǒng)的性能要求可以簡要概括為：響應(yīng)動作要快，動態(tài)過程要平穩(wěn)，跟蹤值要準(zhǔn)確。 在自動控制系統(tǒng) 中，按階數(shù)分類，可以分為一階，二階，三階，四階，高階等。在本次設(shè)計中主要涉及到線性定常二階系統(tǒng)?？梢杂枚A線性常系數(shù)微分方程描述的系統(tǒng)稱為二階線性定常系統(tǒng)?？刂乒こ讨械脑S多系統(tǒng)都是二階系統(tǒng)，如電學(xué)系統(tǒng)，力學(xué)系統(tǒng)。即使是高階系統(tǒng)，在簡化系統(tǒng)分析的情況下有許多也可以近似成二階系統(tǒng)來進(jìn)行分析。因此，二階系統(tǒng)的性能分析在自動控制系統(tǒng)分析中 有非常重要的地位。 控制系統(tǒng)的校正問題，是自動控制系統(tǒng)設(shè)計理論的重要分支，也是具有實用意義的一種改善系統(tǒng)性能的手段與方法。系統(tǒng)的設(shè)計問題，傳統(tǒng)的提法是根據(jù)給定的被控對象和自動控制的 基本要求，單獨進(jìn)行控制器的設(shè)計，使得控制器與被控對象組成的系統(tǒng)，能夠較好的完成不可改變的部分。但是近代控制系統(tǒng)的設(shè)計問題已經(jīng)突破了上述的傳統(tǒng)觀念，例如，近代的不穩(wěn)定飛行對象的設(shè)計，就是事先考慮了控制的作用，亦即控制對象不是不可改變的部分了，而是對象與控制器進(jìn)行的一體化的設(shè)計。 根據(jù)被控對象及其技術(shù)要求，設(shè)計控制器的傳統(tǒng)做法也需要考慮多方面的問題，除了保證良好的性能指標(biāo)外，還要照顧工藝性，經(jīng)濟學(xué)，同時使用壽命，容許的體積與重量，管理與維護(hù)的方便等也不容忽視。在設(shè)計手段上，除了必要的理論計算外，還需要配合一些局 部和整體的模擬實驗仿真和數(shù)字仿真。因此，要達(dá)到比較滿意的設(shè)計，需要綜合多方面的知識和依賴長期實踐的積累。 系統(tǒng)的校正性問題，是一種原理性的局部設(shè)計。問題的提法是在系統(tǒng)的基本部分，通常是對象，執(zhí)行機構(gòu)和測量元件等主要部件，在已經(jīng)確定的條件下，設(shè)計校正裝置的傳遞函數(shù)和調(diào)整放大系數(shù)。使系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)滿足一定的要求。這一原理性的局部設(shè)計問題通常 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 共 54 頁 稱為系統(tǒng)的校正或動態(tài)補償器的設(shè)計。由于校正方式加入系統(tǒng)的方式不同，所起的作用不同，名目眾多的校正設(shè)計問題或動態(tài)補償器設(shè)計問題，成了控制理論中一個極其活躍的領(lǐng)域，而且它是最 有實際應(yīng)用意義的內(nèi)容之一。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 共 54 頁 第一章 控制系統(tǒng)的簡介 第一節(jié) 線性控制系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程（或線性差分方程）來描述時，稱這種這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)的特點是具有疊加性和均勻性（齊次性），及當(dāng)系統(tǒng)存在幾個輸入時，系統(tǒng)的輸入分別作用于系統(tǒng)時系統(tǒng)輸出之和；當(dāng)系統(tǒng)輸入增加或縮小時，系統(tǒng)的輸出也按同樣比例增大或縮小。 如果描述系統(tǒng)運動狀態(tài)的微分（或差分）方程的系數(shù)是常數(shù)且不隨時間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線 性定常（或時不變）系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的響應(yīng)形狀只取決于輸入信號的形狀和系統(tǒng)的特性，與輸入信號施加的時刻無關(guān)。若微分（或差分）方程的系數(shù)是時間的函數(shù)，則這種線性系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的響應(yīng)不僅取決與輸入信號的形狀和系統(tǒng)的特性，而且與輸入信號施加的時刻有關(guān)。 第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 一個自動控制系統(tǒng)要完成預(yù)定的控制任務(wù)，必須滿足一定的性能指標(biāo)。在實際控制系統(tǒng)中，往往由于具體對象和控制任務(wù)的不同，對控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求特不同。雖然如此，仍可對各種控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)概括為 3 個方面，即穩(wěn)（定性），快（ 速性），準(zhǔn)（確性）。具體的說，對于隨動系統(tǒng)，就要求系統(tǒng)能迅速，準(zhǔn)確地跟隨給定值輸入的變化而變化，而不受干擾的影響；對于定植控制系統(tǒng)，就要求系統(tǒng)能迅速克服干擾的影響，使被控量準(zhǔn)確地恢復(fù)至給定值。 在自動控制系統(tǒng)中，把被控量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為“穩(wěn)態(tài)”，而被控量隨時間變化的不平衡狀態(tài)為“動態(tài)”。系統(tǒng)在動態(tài)階段中，其被控量是不斷變化的，這一隨時間變化的過程稱為動態(tài)過程，也稱為過渡過程，瞬態(tài)響應(yīng)過程或控制過程。 在此次設(shè)計中，主要研究二階定常線性系統(tǒng)。其性能指標(biāo)包括靜態(tài)和動態(tài)指標(biāo)。靜態(tài)指標(biāo)即是誤差系數(shù)，動態(tài) 性能指標(biāo)包括上升時間，調(diào)節(jié)時間，峰值時間，超調(diào)量，震蕩次數(shù)等。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 共 54 頁 第三節(jié) 系統(tǒng)概述 首先是一個比較環(huán)節(jié)，將輸入信號與由輸出反饋回的信號進(jìn)行比較，以改善放大器的靜態(tài)和動態(tài)性能；第二個是比例環(huán)節(jié)，對輸出信號進(jìn)行一定量的放大；第三個是積分環(huán)節(jié)，可以是系統(tǒng)的跟蹤能力增強，積分環(huán)節(jié)是當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號才能保持不變，而且能保持在任何位置上。在控制系統(tǒng)中，引用積分環(huán)節(jié)可以消除被控量的偏差。第四個是慣性環(huán)節(jié)，由于慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的阻力，一開始輸出并不與輸入同步按比例變化，直到過渡過程結(jié)束 ,輸出才能與輸出保持比例，從 而保證了控制過程作無差控制。第五個是反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)輸入與輸出在廣義上是否相等來調(diào)節(jié)系統(tǒng)使之誤差減小。 第四節(jié) 設(shè)計基本要求 基于頻率特性法，試用二階參考模型法（即 ）設(shè)計串聯(lián)校正裝置以使系統(tǒng)滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。 第五節(jié) 系統(tǒng)基本指標(biāo) ： 在輸入為 r（ t）＝ a＋ bt，（其中： a＝ 5 b＝ 1/ sec.） ess≤ 的前提下，要求動態(tài)期望指標(biāo)： ； 2 5( % = % )sts??22=? 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 共 54 頁 第二章 系統(tǒng)建模 第一節(jié) 各環(huán)節(jié)模型建立 由于比較器產(chǎn)生偏差，從而構(gòu)成控制，他可以構(gòu)成一個環(huán)節(jié)或者起到連接作用。 比例環(huán)節(jié) 圖 212 比例環(huán)節(jié) 01RG Rf? 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 共 54 頁 積分環(huán)節(jié) 圖 213 積分環(huán)節(jié) SRC 1G 012 ? 圖 214 慣性環(huán)節(jié) 0222022223 RR1SCR1RSC1RSCRG ????? 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 54 頁 第二節(jié) 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 令 0f KRR ? 開環(huán)傳遞函數(shù) ：)1( RRSG 22301 20 ?? SCRSRC f）（=）（ ? 閉環(huán)傳遞函數(shù) ：fRRSC 222301f200 )1S ( RRC RR( S )G1 ( S )GG ( S ) ????? = 0. 5KS0. 05 S 0. 5K2 ?? 特征方程 ： D(S)= ?? =0 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 54 頁 第三章 系統(tǒng)分析 二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 )2((S )G20 nnSS ????? 閉環(huán)傳遞函數(shù)為222C 2( S )G nnnS ???? ??? 閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母多項式等于零的代數(shù)方程稱為二階系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程，即02S 22 ??? nnS ??? 閉環(huán)特征方程的兩個根稱為二階系統(tǒng)的特征根，即 1S 21,2 ??? ???? nn 上述二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中有兩個特征參數(shù) n??和 ，其中比振蕩頻率。稱為二階系統(tǒng)的無阻尼，稱為二階系統(tǒng)的阻尼比 n?? 上述二階系統(tǒng)的特征根表達(dá)式中，隨著阻尼比的不同值，特征根 S 有不同類型的值，或者說特征根 S在 S平面上位于不同的位置，共有以下五種 情況。 圖