自控課程設(shè)計(jì)報(bào)告_2

1、自控課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告( 20132014年度第一學(xué)期)名稱(chēng)：自動(dòng)控制原理題目：控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)院系：控計(jì)學(xué)院設(shè)計(jì)周數(shù)：1周成績(jī)：日期：2014年1月8日 一、 目的與要求本次課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完自動(dòng)控制理論課程后進(jìn)行的。詳細(xì)介紹matlab 的控制系統(tǒng)工 具箱的用法以及simulink 仿真軟件，使學(xué)生能夠應(yīng)用matlab 對(duì)自動(dòng)控制理論課程所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行深層次的分析和研究，能用matlab 解決復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)題目；能用matlab 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以滿(mǎn)足具體的性能指標(biāo)； 能靈活應(yīng)用matlab 的control system 工具箱和simulink 仿真軟件，分析系統(tǒng)的

2、性能，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。二、 主要內(nèi)容1、簡(jiǎn)要介紹控制系統(tǒng)理論的基本概念和基本方法，并介紹matlab 軟件的基本知識(shí)。包括matlab 的基本操作命令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矩陣運(yùn)算、編程算法等; 簡(jiǎn)要介紹matlab 的控制系統(tǒng)工具箱的用法。包括控制系統(tǒng)的模型及相互轉(zhuǎn)換、時(shí)域分析方法、頻域分析方法等應(yīng)用matlab 工具箱進(jìn)行分析研究，增強(qiáng)理解;簡(jiǎn)要介紹simulink 仿真軟件，介紹simulink 的應(yīng)用方法及各種強(qiáng)大功能，應(yīng)用simulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究;簡(jiǎn)要介紹控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)所必須的工具箱函數(shù)，包括模型建立、模型變換、模型簡(jiǎn)化、模型實(shí)現(xiàn)、模型特性、方程求解、時(shí)域響應(yīng)、頻域響應(yīng)、根軌

3、跡等各個(gè)方面。2、在掌握控制系統(tǒng)基本理論和控制系統(tǒng)工具箱函數(shù)的基礎(chǔ)上，利用matlab 及其工具箱函數(shù)來(lái)解決所給控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題,并上機(jī)實(shí)驗(yàn);撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2.1、自選單位負(fù)反饋系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù))s (g 0一個(gè)三階或以上系統(tǒng)。1、繪制閉環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。2、求出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。3、繪制對(duì)數(shù)幅頻、相頻特性曲線(xiàn)，并求出頻域指標(biāo)。 2.2、采用串聯(lián)校正，校正裝置傳遞函數(shù))s (g c 。1、c c k )s (g =，繪制c k 由0的根軌跡，繪制c k 取三個(gè)不同數(shù)值時(shí)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，并求出相應(yīng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，試分析隨著c k 的變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能有何變化

4、。2、采用頻率校正法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以給時(shí)域性能指標(biāo)要求，也可以給頻域性能指標(biāo)，要既有穩(wěn)態(tài)性能要求，也要有動(dòng)態(tài)性能要求，若單獨(dú)超前校正或滯后校正不滿(mǎn)足要求，可采用滯后超前校正。要熟悉超前校正、滯后校正及滯后超前校正的原理，使用條件，并對(duì)校正后的效果進(jìn)行合理的分析。 3、采用根軌跡校正法。根據(jù)動(dòng)態(tài)性能要求，確定自選主導(dǎo)極點(diǎn)1,2s ，同時(shí)滿(mǎn)足一 定穩(wěn)態(tài)性能要求，求出)s (g c ，繪制校正后單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，并求出動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，分析校正效果及產(chǎn)生該效果的原因。（或采用其它的方法如：反饋校正，復(fù)合校正，串聯(lián)工程法，串聯(lián)綜合法（希望特性法）進(jìn)行設(shè)計(jì)等）最好采用頻率校正和另外一種校正方法對(duì)比研究。2.3

5、、繪制校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比圖，根軌跡對(duì)比圖、伯德圖對(duì)比圖，并求出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。三、設(shè)計(jì)正文（一）單位負(fù)反饋系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：)8)(2(10)(0+=s s s s g程序： num=10;den=1,10,16,0; num1=10;den1=1,10,16,10; t=0:0.1:10; sys=tf(num,den); figure(1) step(sys,t) grid;繪制單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。圖 1 step responsetime (seconds)a m p l i t u d e012345678910 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。上升時(shí)間t r =2.31s 峰值時(shí)間t

6、 p =5.1s 調(diào)節(jié)時(shí)間t s =3.66s 超調(diào)量?%=1.17% 對(duì)數(shù)幅頻、相頻響應(yīng)曲線(xiàn)，頻域性能指標(biāo)： h= 16.0000%幅值裕度r= 69.1049 %相角裕度 wx 4.0000 %穿越頻率x wc0.5972 %截止頻率c 對(duì)數(shù)幅頻、相頻響應(yīng)曲線(xiàn)如下： 圖 2 -150-100-50 50m a g n i t u d e (d b)1010101010p h a s e (d e g )bode diagramfrequency (rad/s) （二）c c k )s (g =，繪制c k 由0的根軌跡，繪制c k 取三個(gè)不同數(shù)值時(shí)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，并求出相應(yīng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，

7、試分析隨著c k 的變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能有何變化。c c k s g =)(時(shí)，根軌跡如下： 程序：num=10;den=1,10,16,0; num1=10;den1=1,10,16,10; t=0:0.1:10; sys=tf(num1,den1); figure(1) step(sys,t) grid; rlocus(sys);k,poles=rlocfind(sys) 圖 3 -25-20-15-10-50510152025root locusreal axis (seconds -1)i m a g i n a r y a x i s (s e c o n d s -

8、1) c k =10*0.8時(shí)，單位階躍響應(yīng)急動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下： 圖 4step responsetime (seconds)a m p l i t u d e012345678910 0.20.40.60.811.21.4 上升時(shí)間t r =3.07s 峰值時(shí)間t p =8.7s 調(diào)節(jié)時(shí)間t s =5.21s 超調(diào)量?%=0.0361%c k =10*2時(shí)，單位階躍響應(yīng)急動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下： 圖 5time (seconds)012345678910 上升時(shí)間t r =1.12s峰值時(shí)間t p =2.5s 調(diào)節(jié)時(shí)間t s =4.99s 超調(diào)量?%=14.1%c k =10*30時(shí)，單位階躍響應(yīng)

9、急動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下：（不存在調(diào)節(jié)時(shí)間） 圖 6 step responsetime (seconds)a m p l i t u d e0102030405060708090100-1-0.500.511.5x 1022 上升時(shí)間t r :不存在 峰值時(shí)間t p =99.9s 調(diào)節(jié)時(shí)間t s =none超調(diào)量?%=nan注：（上面三個(gè)的單位階躍響應(yīng)在編碼上只是kc 的值不同而已，故程序不再詳述）由上表可以看出隨著kc 的 增大上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間都減小，同時(shí)峰值時(shí)間減小，而超調(diào)量則增大。且當(dāng)kc頻率校正法進(jìn)行設(shè)計(jì)：要求：系統(tǒng)在單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差1/30,相角裕度pm=502,幅值裕度不低于

10、5db ，超調(diào)量 程序：sys=tf(num,den);figure(1)step(sys,t)grid;h0,r,wx,wc=margin(sys)wm=1.80;l=bode(sys,wm);lwc=20*log10(l);a=10(-0.1*lwc)t=1/(wm*sqrt(a);phi=asin(a-1)/(a+1)gc=(1/a)*tf(a*t 1,t 1);gc=a*gcg=gc*sysbode(g,r,sys,b-);grid;h,r,wx,wc=margin(g)num2=20.78,30;den2=0.5782,6.782,19.25,36.78,30; sys1=tf(num2,den2);step(sys1)figure(4)rlocus(sys1);figure(5)rlocus(sys);校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如下：圖7 step responsetime (seconds)a m p l i t u d e012345678910 超前校正傳遞函數(shù)：14197.0