matlab課程設計-- 三階系統(tǒng)綜合分析與介紹

1、. 設計說明書 設 計 題 目 三階系統(tǒng)綜合分析與介紹 完 成 日 期 2013 年 9 月 6 日 專 業(yè) 班 級 設 計 者 指 導 教 師 ;課程設計成績評定專 業(yè)自動化班 級姓 名學 號教研室主任指導教師指導教師評語：簽字：年 月 日設計成績：簽字：年 月 日設 計 用 紙目 錄前 言2第一章 設計要求3第二章 k值討論3第三章 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差討論43.1 位置誤差系數(shù)53.2 速度誤差系數(shù)53.3 加速度誤差系數(shù)63.4 穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)6第四章 利用MATLAB繪制曲線74.1 根軌跡討論64.2 繪制根軌跡曲線84.3 繪制階躍響應曲線9 4.4 頻域特性分析10 4.5 相裕角度及幅

2、值角度12第五章 穩(wěn)定性分析125.1 死區(qū)特性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)13 5.2 負倒函數(shù)及奈氏圖判斷穩(wěn)定性14總結(jié)與體會16參考文獻17前 言MATLAB軟件提供了豐富的矩陣處理功能，使用簡單，很快收到控制界研究者的普遍重視，并陸續(xù)開發(fā)了各種工具箱，如控制系統(tǒng)工具箱，系統(tǒng)辨識工具箱及仿真環(huán)境simulink等。該軟件是由美國Mathwork公司于二十世紀八十年代推向市場，其名稱全稱源自于Matrix Laboratory,。MATLAB將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛的應用于科學計算、控制系統(tǒng)和信息處理等領域的分析、仿真和設計工作。MATLAB軟件包括五大通

3、用功能，數(shù)值計算功能（Nemeric）、符號運算功能（Symbolic）、數(shù)據(jù)可視化功能（Graphic）、數(shù)字圖形文字統(tǒng)一處理功能（Notebook）和建模仿真可視化功能（Simulink）。其中，符號運算功能的實現(xiàn)是通過請求MAPLE內(nèi)核計算并將結(jié)果返回到MATLAB命令窗口。該軟件有三大特點，一是功能強大；二是界面友善、語言自然；三是開放性強。目前，Mathworks公司已推出30多個應用工具箱。MATLAB在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值及優(yōu)化、數(shù)值統(tǒng)計和隨機信號分析、電路與系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學、次那好和圖像處理、控制理論分析和系統(tǒng)設計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)以及財政金融等眾多領域的理論

4、研究和工程設計中得到了廣泛應用。MATLAB作為一種應用軟件，近年來在自動控制領域做出了顯著貢獻。廣泛應用于領域分析、頻域分析，使自動控制系統(tǒng)研究直觀、清晰。 第一章 設計要求三階系統(tǒng)是以三級微分方程為運動方程的控制系統(tǒng)。在控制工程中，三階系統(tǒng)非常普遍，其動態(tài)性能指標的確定是比較復雜。在工程上常采用閉環(huán)主導極點的概念對三階系統(tǒng)進行近似分析，或直接用MATLAB軟件進行高階系統(tǒng)分析。在課程設計中，要掌握用MATLAB繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡和系統(tǒng)響應曲線，用系統(tǒng)的閉環(huán)主導極點來估算三系統(tǒng)的動態(tài)性能，以及在比較點與開環(huán)傳遞函數(shù)之間加一個非線性環(huán)節(jié)判斷其穩(wěn)定性。第二章 對于參數(shù)k的討論2.1當-8為閉環(huán)系

5、統(tǒng)的一個極點時，K的取值由圖1的系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2）閉環(huán)特征方程式為 （3）因為-8為閉環(huán)系統(tǒng)的一個極點，把s=-8代入上式中解得 K=802.2當主導極點阻尼比為0.7時，K的取值 如果在所有的閉環(huán)極點中，距虛軸最近的極點周圍沒有閉環(huán)零點，而其他閉環(huán)極點遠離虛軸，那么虛軸最近的閉環(huán)極點所對應的時間在響應過程中起主導作用，這樣的閉環(huán)極點就稱為閉環(huán)主導極點。在控制工程實踐中，通常要求控制系統(tǒng)既具有較快的響應速度，又具有一定的阻尼程度，此外還要求減少死區(qū)間、間隙和庫侖摩擦等非線性因素對系統(tǒng)性能的影響，因此高階系統(tǒng)的增益常常調(diào)整到系統(tǒng)具有一對閉環(huán)共軛主導極點。這時，可以用二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指

6、標來估算高階系統(tǒng)的性能。 由于主導極點阻尼比=0.7<1,屬于欠阻尼系統(tǒng)。由公式得： = （4） 設系統(tǒng)的自然頻率為，阻尼比，由上述用閉環(huán)主導極點分析高階系統(tǒng)的方法可知，距虛軸最近的一對閉環(huán)共軛主導極點為： 代入數(shù)據(jù)： 閉環(huán)特征方程式為 代入s的方程化簡得: 0.686-12.6+k+(0.686-8.82+12.6)=0 （5） 令上式的虛部為零得：0.686-8.82+12.6=0 （6） =1.637或=11.220（舍去） 再令實部為零得: 0.686-12.6+k=0 （7） 代入=1.637得出： k=17.617第三章 對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的討論 系統(tǒng)的誤差e(t)一般定義為輸出

7、量的希望值與實際值之差，一般情況下采用從系統(tǒng)輸入端定義的誤差e(t)來進行計算分析。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定系統(tǒng)誤差信號的穩(wěn)態(tài)分量稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，以表示 （8） 3.1位置誤差系數(shù)對于單位階躍輸入，R(s)=1/s,求得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 （9）令，稱為穩(wěn)態(tài)位置誤差系數(shù)。穩(wěn)態(tài)誤差可表示為 在單位階躍輸入下，給定穩(wěn)態(tài)誤差決定于系統(tǒng)的位置穩(wěn)態(tài)誤差。對于0型系統(tǒng)，=0，則=；當1時，=。 由圖1系統(tǒng)得： = (=17.617)由上式得=1，則=03.2速度誤差系數(shù) 對于單位斜坡輸入，此時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 （10） 稱為穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)。 于是穩(wěn)態(tài)誤差可表示為 ，在單位斜坡輸入下，給定穩(wěn)態(tài)誤差決定于速度誤差系

8、數(shù)。由圖1系統(tǒng)得：=0.979=1.021 3.3加速度誤差系數(shù)對于單位拋物線輸入，此時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 （11）令 稱為穩(wěn)態(tài)加速度誤差系數(shù)。于是穩(wěn)態(tài)誤差可表示為對于2型系統(tǒng)， （12）于是穩(wěn)態(tài)誤差可表示為 則對于圖1系統(tǒng)得：=0=3.4輸入信號為時的穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 (=17.617)當時，=，=0 當時，=0.979，=2.554當時，=0，=則當輸入信號為時 =+=第四章 利用MATLAB進行曲線繪制4.1三階系統(tǒng)的根軌跡 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖1可得，三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G（s）= （1）4.1.1根軌跡的起點、終點以及條數(shù)：根軌跡起于開環(huán)極點（包括無限極點），終于開環(huán)零

9、點（包括開環(huán)零點）。以×來表示的開環(huán)極點，其分布如圖1所示。系統(tǒng)有三個極點（n=3）,沒有零點m=0）,即有三條根軌跡分支，它們的起始點為開環(huán)極點(0，-3，-6)。因為沒有開環(huán)零點，所以三條根軌跡分支均沿著漸近線趨向無限遠處。4.1.2實軸上的根軌跡由規(guī)則4（根軌跡在實軸上的分布，實軸上的某一區(qū)域，若是右邊開環(huán)實數(shù)零、極點個數(shù)之和為奇數(shù)，則該區(qū)域必是根軌跡）可知,實軸上的0,-1 和 -2, -區(qū)域比是根軌跡。4.1.3確定根軌跡的漸近線本系統(tǒng)根軌跡的漸近線有三條，據(jù)其與實軸的夾角公式: 把n=3,m=0代入求得：漸近線與實軸的交點為： 4.1.4確定分離點該系統(tǒng)中沒有有限零點，由

10、法則五得：于是分離點方程為：4.1.5根軌跡與虛軸的交點閉環(huán)特征方程式為 對上式應用勞斯判據(jù)，有： 1 18 9 k k令勞斯表中行的首項為零，得k= 162,根據(jù)行的系數(shù)，得輔助方程 9+k=0代k=162并令s=jw,解得交點坐標w=4.244.2用MATLAB繪制根軌跡MATLAB程序：num=1;den=1 9 18 0sys=tf(num,den)rlocus(sys)Transfer function: 1-s3 + 9 s2 + 18 sMATLAB產(chǎn)生的根軌跡如圖2所示： 圖2 閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡4.3用Matlab繪制單位階躍響應曲線 MATLAB程序：k=17.617G=tf

11、(k,1,9,18,k)step(G)即系統(tǒng)單位階躍相應曲線為圖3所示： 圖3系統(tǒng)單位階躍相應曲線4.4頻域特性分析 4.4.1繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist曲線開環(huán)傳遞函數(shù)為 G=tf(17.617,1 9 18 0);figure(1)margin(G);figure(2)Nyquist(G);axis equal即系統(tǒng)的Bode圖為圖4和Nyquist曲線為圖5。 圖4開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖圖5 開環(huán)傳遞函數(shù)Nyquist曲線 4.5相角裕度和幅值裕度相角裕度的含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)的，如果系統(tǒng)開環(huán)相頻特性再后度，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。設為系統(tǒng)的截止頻率，顯然：由上式可得：

12、 =1解得： =0.92 rad/s相角裕度： =64.1幅值裕度的含義是，對于閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性再增大倍，則系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。設為系統(tǒng)的穿越頻率，則在處的相角： = ； 由上式得 =180 4.24 rad/s幅值裕度為 =19.3上述為筆算結(jié)果，通過MATLAB繪制的Bode圖中得到的相角裕度為，幅值裕度為19.3，兩種方法得到結(jié)果完全吻合。第五章 加入非線性環(huán)節(jié)判斷穩(wěn)定性 圖6加非線性環(huán)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在比較點與開環(huán)傳遞函數(shù)之間加一個死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)，如圖6所示。5.1求死區(qū)特性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)由正弦輸入信號、死區(qū)特性可得死區(qū)特性環(huán)節(jié)輸出的數(shù)學表達式為 由于為奇函數(shù)，所

13、以=0,而又為半周期內(nèi)對稱，故 死區(qū)特性的描述函數(shù)為 代入得： 5.2根據(jù)負倒描述函數(shù)和Nyquist圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性 據(jù)圖2得，對于線性環(huán)節(jié)， 非線性環(huán)節(jié)為死區(qū)特性，負倒描述函數(shù)為 即的曲線如圖7中橫軸射線所示。圖中的Nyquist曲線沒有包圍曲線。根據(jù)非線性系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)（若曲線不包圍負倒數(shù)描述函數(shù)曲線，則非線性系統(tǒng)穩(wěn)定;若包圍，則系統(tǒng)不穩(wěn)定），判定該非線性系統(tǒng)穩(wěn)定。圖7負倒描述函數(shù)曲線與的Nyquist曲線 六 總結(jié)與體會一周的課程設計雖然短暫，但是卻讓我們獲益良多，在多方面都有所提高。 通過這次MATLAB課程設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產(chǎn)實際知識進行訓練，從而培養(yǎng)和提高學生

14、獨立工作能力，鞏固與擴充了課程所學的內(nèi)容，掌握中央空調(diào)系統(tǒng)相關知識，對于變頻器有了進一步了解，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。在這次設計過程中，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。 根軌跡法是一種十分便捷得分析和設計線性定?？刂葡到y(tǒng)的圖解方法，了解到根軌跡的基本概念、根軌跡與系統(tǒng)性能之間的關系，并從閉環(huán)零、極點與開環(huán)零、極點之間的關系推導出根軌跡方程，把他轉(zhuǎn)化為常用的相角條件和模值條件形式，最終會出根軌跡。對于不能采用一、二及系統(tǒng)近似的高階系統(tǒng)來說，其動態(tài)性能指標的確定比較復雜，通過用閉環(huán)主導極點的概念對高階系統(tǒng)進行近似分析，從而得到高階系統(tǒng)動態(tài)性能指標的估算公式。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。完成一項任務，與人交際是必不可少的，我們必須鍛煉