学号：课程设计题目飞行器控制系统设计学院自动化学院专业自动化班级自动化1002班姓名指导教师肖纯2012 年12 月19 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级：自动化1003班指导教师： 肖 纯 工作单位： 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为：)2.361(4500)(+=s s Ks G要求设计控制系统性能指标为调节时间ts 008.0≤秒，单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤，相角裕度大于75度。
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计一个控制器，使系统满足上述性能指标； （2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图；（3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；（4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日随着经济的发展，自动控制技术在国民经济中发挥着越来越重要的作用。
自动控制就是在没有人的参与下，系统的控制器自动的按照人预订的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。
在实际中常常要求在达到制定性能指标的同时能更加节约成本、能具有更加优良的效果。
本次飞行器设计中，采用频域校正的方法使系统达到指定的性能指标，同时采用matlab仿真软件更加直观的进行仿真分析和验证。
在此设计中主要采用超前校正的方法来对系统进行性能的改进，通过分析、设计、仿真、写实验报告书的过程，进一步加深了对自动控制原理基本知识的理解和认识，同时通过仿真系统的奈奎斯特图、bode图、单位阶跃响应曲线，进一步理解了系统的性能指标的含义，同时也加深了对matlab仿真的掌握，培养了认识问题、分析问题、解决问题的能力。
1理论分析与计算 (1)1.1初始条件及设计要求 (1)1.2 分析与计算 (1)2 校正前后系统的matlab仿真 (2)2.1校正前系统的仿真 (3)2.1.1 校正前系统bode图 (3)2.1.2 校正前系统奈奎斯特曲线 (3)2.1.3 校正前系统单位阶跃响应曲线 (4)2.2校正后系统matlab仿真 (5)2.2.1校正后系统的bode图 (6)2.2.2 校正后系统奈奎斯特曲线 (6)2.2.3校正后系统单位阶跃响应曲线 (7)3校正前后系统性能比较 (8)3.1校正前后系统bode图比较 (9)3.2校正前后系统那奎斯特曲线比较 (10)3.3校正前后系统单位阶跃响应比较 (11)4课程设计小结 (13)5 参考文献 (14)1理论分析与计算1.1初始条件及设计要求飞行器控制系统的开环传递函数为：)2.361(4500)(+=s s Ks G主要性能指标：调节时间ts=0.008秒，单位斜坡输入下的稳态误差000443.0≤，相角裕度大于75度。
1.2 分析与计算由系统的开环传递函数以及系统需要达到的性能指标要求可知需对系统进行校正，采用频域矫正法对系统进行校正。
根据给定的稳态性能指标，首先确定符合要求的开环增益K 。
设计要求中要求在单位斜坡信号作用下的系统稳态误差ss e 000443.0≤，故校正后的系统还是1型系统。
单位斜坡输入下系统稳态误差求法如下：ss e =K 1000433.0≤又有：2.3614500kK =解得k 2.181≥，所以应取k =182从而将系统开环传递函数化为：)2.361(819000)(+=s s s G计算校正前系统的截止频率：)()(c c jw H jw G =)2.316(81900+jw jw =1又有：)()(180c c o jw H jw G ∠+︒=γ计算得出︒=6.22o γ。
要求校正后的系统的相位裕度︒≥75γ ，因此可知补充的相位裕度不超过︒65，因此可以采用超前校正的方法。
此时有：=+=∆εγγϕ。
-︒=︒+︒-︒4.6196.2275取ϕϕ∆=m ，则：4.15sin 1sin 1=-+=mma ϕϕ令：-10lg15.4dB=20lg）（2.361jw jw 819000+计算得m c w w =1=1770，因此：T =aw m 1=0.000144所以得出超前校正环节为：ssTs aTs s G c 000144.0100222.0111)(++=++=得到校正后系统的传递函数为： )1000144.0)(2.361()00222.01(819000)()()(1+++==s s s s s G s G s G c2 校正前后系统的matlab 仿真2.1校正前系统的仿真2.1.1 校正前系统bode图校正前系统Bode图源程序如下：>> num=819000>> den=[1,316.2,0]>> bode(num,den)图1 校正前系统bode图2.1.2 校正前系统奈奎斯特曲线校正前系统奈奎斯特图源程序如下：>> num=819000>> den=[1,361.2,0]>> nyquist(num,den)图2 校正前系统奈奎斯特曲线2.1.3 校正前系统单位阶跃响应曲线校正前系统的闭环传递函数为：8190002.361819000)()(2++=s s s R s C 校正前系统单位阶跃响应源程序如下： >> num=819000>> den=[1,361.2,819000] >> step(num,den)图3 校正前系统的单位阶跃响应曲线由系统的响应曲线可知系统的调节时间为0.0217s远大于0.008s，系统的超调时间为0.00349s、超调量为0.527，都比较大。
2.2校正后系统matlab仿真2.2.1校正后系统的bode图校正后系统bode图源程序如下：>>G=tf(819000*[0.00222,1],conv([1,361.2],[0.0001444,1,0]),bode(G)G =1818 s + 819000-----------------------------------0.0001444 s^3 + 1.052 s^2 + 361.2 s图4 校正后系统bode图由校正后系统bode图可以看出校正后系统相位裕度达到 9.79，满足系统设计要求。
2.2.2 校正后系统奈奎斯特曲线校正后系统奈奎斯特图源程序如下：>>G=tf(819000*[0.00222,1],conv([1,361.2],[0.0001444,1,0])), nyquist(G)G =1818 s + 819000----------------------------------- 0.0001444 s^3 + 1.052 s^2 + 361.2 s图5校正后系统奈奎斯特曲线2.2.3校正后系统单位阶跃响应曲线校正后系统闭环传递函数为：819000052.1000144.081900018.1818)()(2+++=s s s s R s C 校正后系统单位阶跃响应源程序如下： >>num=[1818.18,819000] >>den=[0.000144,1.052,2179.38,819000] step(num,den)由校正后系统单位阶跃响应曲线可知系统调节时间ts 00303.0=s ，小于给定值0.008s ，能够满足系统动态性能指标要求。
图6 校正后系统单位阶跃响应曲线3校正前后系统性能比较3．1校正前后系统bode图比较校正前后系统比较的bode图源程序如下，其中g1函数表示校正前系统，g2函数表示校正后系统：>> num=819000>>den=[1,361.2,0]>>g1=tf(num,den)g1 =819000-------------s^2 + 361.2 s>> g2=tf(819000*[0.00222,1],conv([1,361.2],[0.0001444,1,0])) g2 =1818 s + 819000-----------------------------------0.0001444 s^3 + 1.052 s^2 + 361.2 s>> bode(g1,g2)由校正前后系统bode图可以看出，校正后系统截止频率变大，系统的相相位裕度变大，满足系统设计要求。
图7 校正前后系统bode图比较3.2校正前后系统奈奎斯特曲线比较校正前后系统比较的奈奎斯特图源程序如下，其中g1函数表示校正前系统，g2函数表示校正后系统：>> num=819000>> den=[1,361.2,0]>> g1=tf(num,den)g1 =81900-------------s^2 + 361.2 s>> g2=tf(819000*[0.00222,1],conv([1,361.2],[0.000144,1,0]))g2 =181.8 s + 81900----------------------------------0.000144 s^3 + 1.052 s^2 + 361.2 s>> nyquist(g1,g2)图8 校正前后系统奈奎斯特曲线比较3.3校正前后系统单位阶跃响应比较校正前后系统比较的单位阶跃响应源程序如下，其中g1函数表示校正前系统，g2函数表示校正后系统：>> num=819000>> den=[1,361.2,819000]>> g1=tf(num,den)g1 =819000---------------------s^2 + 361.2 s + 819000>> num1=[1818.18,819000]>> den1=[0.000144,1.052,2179.38,819000]>> g2=tf(num1,den1)g2 =1818 s + 819000----------------------------------------0.000144 s^3 + 1.052 s^2 +2179 s + 819000>> step(g1,g2)图9 校正前后系统单位阶跃响应比较由响应曲线可以看出校正后系统的超调量大为减少，而且响应速度大大加快，基本满足系统设计要求。