某红外成像目标模拟器俯仰系统设计与仿真.docx

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1、HarbinInstituteofTechnology课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：某红外成像目标模拟器俯仰系统设计与仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：设计者：××学号：1120××指导教师：××设计时间：2015年3月2日哈尔滨工业大学某红外成像目标模拟器俯仰系统设计与仿真一、人工设计已知控制系统框图如下：图1系统控制框图其中：Kv=0.018；TM=0.0194，R=2性能指标要求如下：1.角速度θ≤50°/s；2.角加速度θ≤100°/s2；3.稳态误差eSS≤0.2mrad；4.频率响应f=8~10Hz；5.相角裕度γ≥50°；由ω=2π

2、f，得到满足频响f=8~10Hz的剪切频率ωc=50.24~62.8rad/s。1.放大环节（1）在系统未加任何校正时，系统的开环传递函数G0=0.009s0.0194s+1系统的Bode图如下：图2校正前系统的开环Bode图（2）可以得出，系统的剪切频率ωc0=0.009rad/s，远小于设计指标，而相角裕度γ=89.99°，因此考虑引入放大环节G2，使系统的开环幅频特性曲线上移，以达到通过牺牲γ来换取更大的ωc的目的。经计算，取G2=7777.8，即系统的开环传递函数G0‘=70s(0.0194s+1)引入放大环节的系统Bode图如下：图3加入放大环节的系统Bode图注：此图若手

3、绘，误差会导致仅加入放大环节即可达到性能指标，与实际情况不符。此时的剪切频率已经很接近性能指标的最低要求了，但是相角裕度却从89.9°下降到不满足性能指标的45.8°。可见，仅仅通过引入放大环节G2，是无法优化此系统的。1.串联超前校正环节在这种情况下，应额外加入串联超前校正环节，来同时提升剪切频率和相角裕度，超前校正各项系数的计算过程如下。（3）设超前校正环节Gc=τs+1Ts+1，其中T=ατ。广义被控对象为G0‘=70s(0.0194s+1)（4）根据校正前系统的Bode图，可得ωc0=50.1rad/s，γ0=45.8°，则φm=γ-γ0+∆=50°-45.8°+10.8°=

4、15°（5）又φm=sin-11-α1+α由式（5），可以解得α=0.6。然后（6）在超前校正前的系统Bode图中，找到幅值对应为-20lg1α=-2.218处的角频率ωm=59.5rad/s，它是校正后的剪切频率，满足设计要求，又ωm=1ατ由式（6），以及ωm=59.5rad/s，可以解得τ=0.022，T=ατ=0.013。（7）所以，串联超前校正环节的传递函数为Gc=τs+1Ts+1=0.022s+10.013s+1校正装置（放大环节和串联超前校正环节）的Bode图如下。图4校正环节的Bode图加入放大环节和串联超前校正之后，系统的Bode图如下。图5校正后的Bode图通过计

5、算可得ωc=62.3rad/s，γ=54.1°，满足设计指标。二、计算机辅助设计1.放大环节（8）在系统未加任何校正时，系统的开环传递函数G0=0.009s(0.0194s+1)系统的Bode图如下：图6校正前系统的Bode图（9）可以得出，系统的剪切频率ωc0=0.009rad/s，远小于设计指标，而相角裕度γ=90°，明显大于设计要求。按照人工设计的结论，可以取G2=7777.8，即系统的开环传递函数G0‘=70s(0.0194s+1)引入放大环节G2=7777.8的系统Bode图如下：图7加入放大环节的系统Bode图此时的剪切频率已经很接近性能指标的最低要求了，但是相角裕度却从

6、90°下降到不满足性能指标的45.8°。可见，仅仅通过引入放大环节G2，是无法优化此系统的。2.串联超前校正环节（10）按照之前人工设计的结论，串联超前校正环节的传递函数为Gc=τs+1Ts+1=0.022s+10.013s+1这样，校正装置为放大环节G2与串联超前校正环节Gc，两环节串联后的校正装置方框图和Bode图如下所示。图8校正装置的系统方框图图9校正装置的Bode图加入校正装置后的系统方框图和Bode图如下。图10加入校正装置的系统方框图图11校正后的系统Bode图由上图可知，校正后系统的剪切频率ωc=58.7rad/s，相角裕度γ=55.7°，满足设计指标要求。2.顺馈控

7、制环节系统的角速度θ≤50°/s，角加速度θ≤100°/s2，根据Aω=50°/s，Aω2=100°/s2，计算出输入正弦信号时的信号幅值A=0.436rad，ω=2rad∕s。在Simulink中添加相应的输入信号，进行仿真并观察系统的稳态误差，如下二图所示。图12外加正弦信号的闭环系统图13仅加串联超前校正和放大环节的系统稳态误差对于稳态误差，性能指标的要求是eSS≤0.2mrad，而图13所示的稳态误差曲线明显不满足设计要求，因此考虑加入顺馈控制。设