控制系统校正设计.doc

前言
对实际系统进行校正设计是自动控制原理课程在实际应用方面的重要内容。本例采用根轨迹设计方法对“F-94或X-15飞机的姿态控制”模拟系统进行了串联校正设计，使得该系统的时域指标满足了设计要求。
一、设计过程
1.2 计算机辅助设计
1.2.1 验证人工设计
通过人工设计得到如下传递函数：

根据画出未加人工校正的系统根轨迹图（图1-4）和开环波特图（图1-5）；

图1-4 未加校正的系统根轨迹图

图1-5 未加校正的系统开环波特图
根据画出人工校正的开环波特图（图1-6）；
根据画出人工校正后的系统根轨迹（图1-7）、开环波特图（图1-8）和系统阶跃响应曲线（图1-9）。

图1-7 人工校正后的系统根轨迹

图1-8 人工校正后的系统开环波特图

图1-9 人工校正后的系统阶跃响应曲线及其动态性能参数
有图1-4至图1-8验证了人工设计计算过程的准确性。
但是由图1-9可知，人工校正后的系统

调节时间（Setting Time）不满足校正设计的性能指标。
1.2.2 用Matlab对系统进行辅助设计
通过在调节的增益，可以调节系统的闭环极点，经过不断的尝试与修改，最终确定当时，系统的动态性能指标能够满足设计要求（图1-10）。

图1-10 用进行校正后的系统阶跃响应及其动态性能指标
此时，

由此得到满足设计要求的传递函数：
，

可以借助Simulink画出系统框图，如图1-11。仿真后的输出波形即图1-10显示的波形。

图1-11 Simulink仿真框图
其中，，，
二、 校正装置电路图

校正装置可由一个放大环节与两个惯性环节实现（图2-1）：
（1） 放大环节：放大倍数为0.58，用一个放大倍数为-0.58的方向比例运算电路与一个反相器级联构成；
（2） 惯性环节：用一个1MΩ电阻与1μF电容并联构成；
（3） 惯性环节：用一个100kΩ与6.25μF电容并联构成。

图2-1 校正装置电路图

三、 设计结论
在人工设计过程，我设置了两个极点，，得到了校正网络的根轨迹。
在计算机辅助设计过程中，我找到了校正网络的增益。
串联校正网络，使“F-94或X-15飞机的姿态控制”模拟系统的动态性能指标达到了理想的控制要求，即，。
综合校正网络的设计，得到了校正装置电路图，该电路图结构简单，容易实现。
四、心得体会
串联补偿设计在实际的应用中往往十分灵活，我们可以走出固定地超前校正、滞后校正、滞后-超前校正的固定套路，还可以选择P控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器等，灵活地完成设计任务。
良好的设计方法：
（1） 通过人工设计，设计者可以快速地找到设计思路，并得到与设计要求近似的结果；
（2） 借助计算机，设计者利用Matlab以及其组件Simulink和Sisotool可以方便地调节校正网络的参数，使校正系统良好地满足设计要求。
用基本的电路来实现设计出来的校正网络也是一项基本环节，通过温习电路、模拟电路的相关知识，就可以根据传递函数的各个参数选择适当的元件，逐次地实现传函的各个基本环节，进而得到完整的电路图。
本次校正网络设计是我对控制系统的根轨迹、频率特性有了深刻的体会，熟练了基本知识，实际的校正设计操作使我加深了对校正网络的理解，运用计算机辅助设计使我学习了相关Matlab语言及设计组件。

参考资料
【1】自动控制原理/梅晓榕主编.—2版，—北京：科学出版社，2007.2
【2】自动控制理论与设计：新世纪版/徐薇莉等编著.—3版，—上海：上海交通大学出版社，2001
【3】自动控制原理学习与考研指导/梅晓榕主编.—2版，—北京：科学出版社，2004
【4】利用根轨迹法设计串联补偿网络的MATLAB实现/翟海妮，刘文杰/苏州大学，《自动化技术与应用》2--5年第24卷第4期