【文章內(nèi)容簡介】 ... 27 三、校正后根軌跡圖 ...................................................................................................... 28 第五章 系統(tǒng)模擬 ........................................................................................................................ 29 第一節(jié) MATLAB 介紹 ....................................................................................................... 29 第二節(jié) SIMULINK ............................................................................................................. 29 第三節(jié) 原系統(tǒng)的物理模擬 ................................................................................................. 30 結 論 ............................................................................................................................................ 34 致 謝 ............................................................................................................................................ 35 參考文獻 ........................................................................................................................................ 36 附 錄 ............................................................................................................................................ 38 一、英文原文 ............................................................................................................................ 37 二、英文翻譯 ............................................................................................................................ 41 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 1 前 言 在控制系統(tǒng)校正中，通常在各個閉環(huán)的前向通道入口處串入調(diào)節(jié)器，對給定信號和反饋信號的差值進行變換處理，稱為串聯(lián)校正。串聯(lián)校正提高系統(tǒng)的精度，使系統(tǒng)更平穩(wěn)，它實際上是通過零、極點對消和調(diào)整開環(huán) 放大系數(shù)的方法，將系統(tǒng)或其內(nèi)環(huán)校正為具有預期開環(huán)傳函的典型系統(tǒng)。選擇典型系統(tǒng)的方法很多，目前應用最廣的是基子“振蕩指標法”的典型 Ⅰ 型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)，對于多環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)的主要矛盾是快速性和平穩(wěn)性，通常校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)；外環(huán)的主要矛盾是跟蹤性和抗擾性，通常校正為Ⅱ型系統(tǒng)。然而，在實際系統(tǒng)中，由于工程設計的近似處理、參數(shù)的變化及非線性的影響，僅僅按上述方法進行串聯(lián)校正，效果往往并不理想，外環(huán)尤其如此。為了進一步改善系統(tǒng)的性能，常常需在串聯(lián)校正的基礎上再引入并聯(lián)校正，即采用串一并聯(lián)校正，并聯(lián)校正是利用被控 量或某些便于測量的中間變量作為反饋信號，通過反饋校正網(wǎng)絡來實現(xiàn)的，并聯(lián)校正為被控量的微分負反饋校正在工程設計中使用最多。 串聯(lián)校正的結構比并聯(lián)校正簡單，多采用有源校正網(wǎng)絡構成，容易對信號進行各種必要的變換。其他元件參數(shù)不穩(wěn)定，會影響到串聯(lián)校正的效果，要對系統(tǒng)元件特性的穩(wěn)定性提出較高的要求，在通常使用時。保證低頻段滿足穩(wěn)態(tài)誤差，改善中頻段，使截止頻率增大，相角裕度增大，動態(tài)性能提高，高頻段提高，使其抗噪聲干擾能力減小。 并聯(lián)校一般是由一些繁瑣、昂貴、龐大的部件所構成，如測速發(fā)電機，電流互感器就是常用的并聯(lián)校正 裝置。并聯(lián)校正裝置的設計比較繁瑣，并聯(lián)校正中對系統(tǒng)的各個元件的穩(wěn)定性要求較低，不需要采用有源元件。由于并聯(lián)校正頻率特性的精確計算十分復雜，工程上通常采用近似處理方法，目前多變量系統(tǒng)的綜合，引起了人們的注意，人們一般重研究用串聯(lián)環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)的品質(zhì)，但從工程實踐來看，采用并聯(lián)校正往往更為有利，本文從并聯(lián)校正討論。 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 2 第一章 概述系統(tǒng) 第一節(jié) 關于自動控制的發(fā)展史 自動控制所經(jīng)三個不同階段。即經(jīng)典、現(xiàn)代、智能控制理論。 第一階段：經(jīng)典控制（形成于 50 年代）。在古代，古人發(fā)明的指南車就應用了反饋原理。 James Watt 蒸汽機離心飛錘式調(diào)速器。 Nyquist 于 1932 年提出穩(wěn)定性的頻率判據(jù)。 Bode于 1945 年寫《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》。 Harris 于 1942 年引出傳遞函數(shù)概念。 Evans于 1948 年提出了系統(tǒng)的根軌跡分析法，進一步完善了頻域分析法。 錢學森于 1954 年出版了《工程控制論》，全面總結了經(jīng)典控制理論，經(jīng)典理論成熟的標志。 第二階段：現(xiàn)代控制（ 50、 60 年代）。本質(zhì)是一種時域法，由三部分組成：多變量線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論?，F(xiàn)代控制理論解決了系統(tǒng)的可控性、可觀性、穩(wěn)定性等諸多問題 。極大值原理創(chuàng)立于 1959 年，濾波器理論被提出。 卡爾曼于 1960年對系統(tǒng)采用狀態(tài)方程描述方法，提出了系統(tǒng)的能控性。 第三階段：智能控制理論階段（ 60 年代中期萌芽）。美籍華人博京孫教授于 20 世紀 70那年代提出智能控制，是指驅動智能機器自主的實現(xiàn)其目標的過程，核心是高層控制主要以時域法為主。美國的 于 1977 年將二元結構擴為三元結構，中南工業(yè)大學蔡自興將三元結構擴為四元結構。 本文采用根軌跡法進行分析校正，根軌跡法是一種簡單的求特征的方法。 第二節(jié) 簡介系統(tǒng) 一 、 系統(tǒng)的物理模型結構圖 fR 為線性滑動電位器，可調(diào)范圍為 140010 10RR? ? 設計過程中忽略各種干擾，如：運算放大器的零點漂移、環(huán)節(jié)間的負載效應、外界強電力設備產(chǎn)生的電磁干擾等。 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 3 圖 二階系統(tǒng)結構框圖 畢業(yè)設計任務資料 二 、 給定系統(tǒng)環(huán)節(jié)的介紹 圖中第一是比例環(huán)節(jié)：能按一定比例放大輸入量，以驅動后續(xù)環(huán)節(jié)的運行；第二個是積分環(huán)節(jié)，能使系統(tǒng)的跟蹤能力增強；積分環(huán)節(jié) 當輸入信號為零時，輸出信號才保持不變，而且能保持在任何位置。系統(tǒng)中，消除被控量偏差，引用積分環(huán)節(jié)可。第三個是慣性環(huán)節(jié)，由于慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的阻力，剛開始輸出并不與輸入同步按比例變化，當過渡過程結束 ,輸出才能與輸出保持比例，保證了控制過程作無差控制。 自動控制領域中，按照一定規(guī)律組成的內(nèi)部互相聯(lián)系的部件，這就是系統(tǒng)。能夠完成一定功能。系統(tǒng)控制兩種基本的形式為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 圖 開環(huán)控制系統(tǒng) 有一條從輸入端到輸出端前向通路，還另有一條從輸出端到輸入端反饋通路，這就是閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點。 圖 閉環(huán)控制系統(tǒng) Rf R0 A C1 R0 A A C2 R0 R2 Rc r y 控制器 受控對象 控制器 受控對象 反饋元件 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 4 第三節(jié) 系統(tǒng)設計的要求 自動控制系統(tǒng)基本的要求是：系統(tǒng)運行是穩(wěn)定的，并保證滿足精度要求、規(guī)定的性能指標。 按系統(tǒng)的給定值，可將自動控制系統(tǒng)分三大類：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的目的是使所控制的工藝參數(shù)準確快速的跟隨給定值變化（給定值隨機變化）。特點：設定值為一個未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)，作用為以一定的精度跟隨設定值變化變化。自動控制目的：將被控變量保持在一個不變的給定值上，只當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料 量（或能量）相同才有可能。靜態(tài)被控變量不隨時間而變化。 整個系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定平衡的狀態(tài) ,當系統(tǒng)的輸入和給定干擾和輸出均恒定時 。 變送器、控制器、控制閥各個組成環(huán)節(jié)不改變系統(tǒng)的原先狀態(tài)。 靜態(tài)就是 輸出信號都處于相對靜止狀態(tài) 。 干擾作用破壞靜態(tài)平衡，而經(jīng)控制，直到系統(tǒng)重新平衡。動態(tài)就是一段時間當中，各個環(huán)節(jié)和信號處于變動狀態(tài)之內(nèi)整個系統(tǒng)的。自動化工作中，了解系統(tǒng)靜態(tài)是必要的，但是系統(tǒng)動態(tài)更為重要。在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的不可避免的，則需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用，去對抗或抵消干擾作用影響。 系統(tǒng)在過渡 過程中，隨時間變化的是被控變量。取決于作用系統(tǒng)干擾的形式，被控變量隨時間變化的規(guī)律。在生產(chǎn)中干擾是沒有固定形式出現(xiàn)，多半屬于隨機的。 在此取衰減振蕩的過程，形式討論控制系統(tǒng)品質(zhì)的指標。時間域單項的指標，還有一類是時間域綜合的指標，控制指標主要分為這兩類。最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值最大的數(shù)值。第一個波的峰值就是最大偏差在衰減振蕩過程中。特別是對于些有約束條件的系統(tǒng)，對最大偏差的允許有所限制。 一、 系統(tǒng)基本指標 btatr ??)( （其中 5。 1/ secab?? ） ( ? )的前提下 ，要求動態(tài)期望指標 % 5 % 。 5 se cpst? ??。 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 系統(tǒng)的建模 第一節(jié) 各環(huán)節(jié)建模與分析 一 、 了解各環(huán)節(jié) 首先一個比較環(huán)節(jié)，是輸入信號與由輸出反饋回信號進行比較，以改善放大器靜態(tài)和動態(tài)的性能；第二是比例環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)能夠按一定的比例放大 輸入量，以驅動后續(xù)環(huán)節(jié)運行；第三個是積分環(huán)節(jié)，可使系統(tǒng)的跟蹤能力增強，積分環(huán)節(jié)是當輸入信號為零，輸出信號才保持不變，而且能保持在任何位置。在控制系統(tǒng)中，引用積分環(huán)節(jié)可消除被控量的偏差。第四個是慣性環(huán)節(jié)，由于慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)阻力，剛開始輸出并不與輸入同步按比例變化，當過渡過程結束 ,輸出才能與輸出保持比例，保證了控制過程作無差控制。第五個是反饋環(huán)節(jié)，由輸入與輸出在廣義上是否相等調(diào)節(jié)系統(tǒng)使之誤差減小。 二 、 比較器分析 比較器的作用： 偏差檢測產(chǎn)生控制作用在系統(tǒng)輸入端，或許是裝置也可能是一種線路連接。 體現(xiàn)了系統(tǒng)的快速性 、平穩(wěn)性；對二階系統(tǒng)而言， K 越大，快速性越好，平穩(wěn)性越差。 數(shù)學模型： ( ) ( ) ( )U s r s y s?? 結構框圖： 圖 比較器 結構圖 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 6 三 、 比例環(huán)節(jié)分析 輸入： 0()Us； 輸出： 1()Us； 具有比例運算關系的元部件稱為比例環(huán)節(jié)， fR 為線性滑動電位器，可調(diào)試的范圍為：140010 ~10RR? 。 比例環(huán)節(jié)作用：比例和偏差成正比，決定系統(tǒng)響應速，比例調(diào)節(jié)規(guī)律在時間上沒延遲，不失真，比例度越小調(diào)節(jié)越強，會引起振蕩當調(diào)節(jié)作用太強，又起不到應有的調(diào)節(jié)作用當調(diào)節(jié)作用太小。 比例環(huán)節(jié)是具有比例運算關系的元部件。線性滑動電位器為 fR 。 比例積分的特點：輸出不失真，不延遲，成比例的復現(xiàn)輸入信號的變 化 傳遞函數(shù)為：1 0fRG R?負號為極性 傳遞函數(shù)為： 010()() () fI RUsG s kU s R? ? ? ? ?負號為極性 用框圖表示為： 圖 比例環(huán)節(jié)結構框圖 物理模擬結構： 圖 比例環(huán)節(jié)物理結構圖 Rf R0 A 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 7 四、積分環(huán)節(jié)分析 輸入： ()aUs； 輸出： ()bUs； 積分的作用： 提高系統(tǒng)的的跟蹤能力 ,積分環(huán)節(jié)符合積分關系的環(huán)節(jié)。減小偏差、 減小震蕩、使系統(tǒng)更穩(wěn)定， 積分后使系統(tǒng)達到穩(wěn)定后沒有靜差； 消除靜差的時間同時 也 延長 了。 數(shù)學模型：0111() bbaUGs U R C s s? ? ? ? ? 結構框圖： 圖 積分環(huán)節(jié)結構框圖 物理模擬結構：