课程设计-用MATLAB进行控制系统的超前校正设计.doc_超前校正单位阶跃响应资源-CSDN文库

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【课程设计-用MATLAB进行控制系统的超前校正设计】自动控制原理是理工科学生必须掌握的重要课程，其中涉及到的控制系统设计与分析是工程师在实际工作中常常运用的技术。本次课程设计的目标是让学生掌握利用MATLAB软件进行控制系统设计，特别是超前校正的设计方法，以提升系统的动态性能。超前校正是控制系统设计中的一种策略，主要用于改善系统的瞬态响应，增加相位裕度，以避免系统的不稳定或振荡。它通过引入一个具有超前特性的环节，使得系统的相频特性在某频率处出现正相位，从而提前使系统的相角穿越-180度，提高系统的稳定性。根轨迹法是分析和设计控制系统的一种经典方法，它通过绘制系统的根轨迹图，可以直观地看出闭环系统的极点随开环增益变化的轨迹，从而判断系统的稳定性和动态性能。在MATLAB中，可以利用根轨迹函数`rlocus`来实现这一分析。设计过程分为以下几个关键步骤： 1. **基本思路及步骤**：理解控制系统的基本概念和超前校正的作用，然后确定设计目标，如快速响应、无超调等。接下来，选择合适的超前校正网络模型，如PID、P控制器等，并设定参数。 2. **校正前系统分析**：对未校正系统进行分析，计算其开环增益K，分析相位裕度γ和幅值裕度M，这两者是衡量系统稳定性的重要指标。通过绘制伯德图（Bode Plot），可以直观地观察系统的频率响应特性，包括幅频特性和相频特性。 3. **根轨迹分析**：利用MATLAB的根轨迹工具，分析未校正系统在不同开环增益下的根轨迹，找出导致不稳定或性能不佳的区域。 4. **超前校正系统设计**：根据分析结果，设计超前校正环节，调整其参数以达到预期的相位超前效果。通常，这涉及到试错和优化过程，以找到最佳的超前网络参数。MATLAB的控制系统工具箱提供了多种超前网络模型和设计算法，如Smith预估器、PID控制器等。 5. **系统性能评估**：校正后，重新计算系统的相位裕度和幅值裕度，检查是否满足设计要求。同时，通过阶跃响应、脉冲响应等仿真测试，验证系统的动态性能和稳定性。通过这次课程设计，学生将深入理解控制系统理论，掌握MATLAB在控制系统设计中的应用，为未来从事相关工作打下坚实基础。同时，这也是理论知识与实践技能相结合的良好实践，有助于培养学生的工程思维和问题解决能力。

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理工大学《自动控制原理》课程设计说明书
目录
摘要..............................................................................................................................................0
1 课程设计目的...........................................................................................................................2
2 设计条件及任务要求...............................................................................................................2
2.1 设计条件.........................................................................................................................2
2.2 设计任务要求.................................................................................................................2
3 设计基本原理...........................................................................................................................3
3.1 超前校正.........................................................................................................................3
3.2 根轨迹法.........................................................................................................................5
4 设计过程...................................................................................................................................5
4.1 基本思路及步骤.............................................................................................................5
4.2 校正前系统分析.............................................................................................................6
4.2.1 开环增益...............................................................................................................6
4.2.2 相位裕度和幅值裕度...........................................................................................7
4.2.3 伯德图...................................................................................................................8
4.2.4 根轨迹...................................................................................................................9
4.3 超前校正系统设计.........................................................................................................9
4.3.1 理论分析...............................................................................................................9
4.3.2 参数计算.............................................................................................................10
4.3.3 编程设计.............................................................................................................11
4.4 校正后系统分析...........................................................................................................12
4.4.1 伯德图.................................................................................................................12
4.4.2 根轨迹.................................................................................................................13
5 结果对比与分析.....................................................................................................................13
5.1 校正前后阶跃响应曲线...............................................................................................13
5.2 结果分析.......................................................................................................................14
6 总结.........................................................................................................................................15
参考文献....................................................................................................................................15
附录............................................................................................................................................16
摘要
在自动控制理论中，超前校正是相当重要的一环，对于系统的优化有很重要的意义。
用 MATLAB 进行控制系统的超前校正设计是对所学的自动控制原理的初步运用。本课程
设计先针对校正前系统的稳定性能，用 MATLAB 画出其根轨迹及伯德图进行分析，是否
达到系统的要求，然后对校正装置进行参数的计算和选择，串联适当的超前校正装置。
最后通过阶跃响应曲线对比前后系统，论证校正后的系统是否达到要求。