自控原理課程設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報告( 2012 - 2013 年度第 1 學(xué)期)名 稱： 課程或?qū)嶒?yàn)名稱 題 目： 自動控制理論A課程設(shè)計(jì) 院 系： 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 班 級： 實(shí)驗(yàn)自10 學(xué) 號： 1101190104 學(xué)生姓名： 高耀巋 指導(dǎo)教師： 袁桂麗 設(shè)計(jì)周數(shù)： 一周 成 績： 日期：2012年 01 月 08 日 課程 課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報告目錄一、課設(shè)題目要求.3二、自動控制原理基礎(chǔ)知識和工具簡單介紹 .3三、設(shè)計(jì)正文5四、總結(jié)與結(jié)論5五、心得體會 6六、參考文獻(xiàn)8附錄11一、課程設(shè)計(jì)的目的與要求本次課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完自動控制理論課程后進(jìn)行的。詳細(xì)介紹MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱的用

2、法以及SIMULINK仿真軟件，使學(xué)生能夠應(yīng)用MATLAB對自動控制理論課程所學(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)的性能，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。二、自動控制原理基礎(chǔ)知識和工具M(jìn)ATLAB簡單介紹自動控制（原理）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。在反饋控制系統(tǒng)中，控制

3、裝置對被控裝置施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)現(xiàn)對被控量進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。控制方式通?？梢杂虚_環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合控制方式三種。 反饋方式就正反饋和負(fù)反饋MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是英文MATrix LABoratory(短陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫。MATLAB主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動

4、態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理

5、的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。三、設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）正文用工具軟件MATLAB對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到校正前后系統(tǒng)的時域、頻域性能指標(biāo)，通過比較確定校正在對系統(tǒng)的影響。根據(jù)題目要求，我們組選擇的三階單位負(fù)反饋系統(tǒng)，開環(huán)傳遞函數(shù)和矯正系統(tǒng)函數(shù)為： 2.1 num1=100;den=conv(0.1 1,0.01 2);den1=conv(1 0,den);num11,den11=cloop(num1,den1,-1);g=tf(num11,den11);figure(1)step(g);grid;g=tf(num1,den1);figure(2)

6、bode(g,0.001,100);grid;figure(3);margin(g);Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(g);figure(4);rlocus(g)階躍響應(yīng)曲線如下：校正前時域動態(tài)性能指標(biāo)：上升時間tr=0.0534s峰值時間tp=0.146s調(diào)節(jié)時間ts=1.04s超調(diào)量%=58.2%校正前系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)()Gm = 12.5 %幅值裕度Pm = 19.2 %相角裕度Wcg = 44.7%穿越頻率Wcp= 21.2 %截止頻率校正前原系統(tǒng)根軌跡圖：2.2.1當(dāng)采用比例環(huán)節(jié)進(jìn)行校正時，不同的裝置的Kc值的單位階躍響應(yīng)當(dāng)Kc=0.05時上升時間tr=0.659s峰值時間

7、：無調(diào)節(jié)時間ts=1.14s超調(diào)量：無當(dāng)Kc=0.1時上升時間tr=0.297s峰值時間：0.614s調(diào)節(jié)時間ts=0.854s超調(diào)量：5.04%Kc=0.5時上升時間tr=0.0827s峰值時間：0.215s調(diào)節(jié)時間ts=0.885s超調(diào)量：40.4%Kc=2時上升時間tr=0.0356s峰值時間tp=0.106s調(diào)節(jié)時間ts=1.53s超調(diào)量%=76.8%Kc=5時上升時間tr=N/A 峰值時間tp=無調(diào)節(jié)時間：無超調(diào)量%=NAN當(dāng)采用比例環(huán)節(jié)進(jìn)行校正時，不同的裝置的Kc值的時域性能指標(biāo)對比表格： Kc=0.05Kc=0.1Kc=0.5Kc=2Kc=5上升時間tr0.659s0.297s0

8、.0827s0.0356sN/A峰值時間tp無0.614s0.215s0.106s無調(diào)節(jié)時間ts1.14s0.854s0.885s1.53s無超調(diào)量%無5.04%40.4%76.8%NAN（上面單位階躍響應(yīng)在編碼上只是kc的值不同而已，故程序不再詳述）結(jié)論：由上表可以看出隨著kc的 增大上升時間，峰值時間減小，調(diào)節(jié)時間先減小后增大，超調(diào)量增大由于校正前的裝置截止頻率較小，所以采用串聯(lián)超前校正，假定截止頻率為wm=55rad/s,所以求取矯正裝置的程序如下：num1=100;den=conv(0.1 1,0.01 2);den1=conv(1 0,den);num11,den11=cloop(n

9、um1,den1,-1);g=tf(num11,den11);figure(1)step(g);grid;g1=tf(num1,den1);wm=55L=bode(g1,wm) Lwc=20*log10(L)a=10(-0.1*Lwc) T=1/(wm*sqrt(a) Gc=(1/a)*tf(a*T 1,T 1) Gc=a*Gc; G=Gc*g1 figure(2)bode(Gc)figure(3)bode(G,'r',g1,'b-');grid;figure(4)margin(G)h,r,wx,wc=margin(G)figure(5)g2=feedback(

10、Gc*g1,1)step(g2)得矯正裝置傳遞函數(shù)為：矯正裝置的bode圖如下圖：所以校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：校正后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：所以校正后單位階躍響應(yīng)曲線和伯德圖為：5校正前后單位階躍響應(yīng)曲線校正前單位階躍響應(yīng)曲線 校正后單位階躍響應(yīng)曲線時域動態(tài)性能指標(biāo)：校正前：上升時間tr=0.0534s峰值時間tp=0.146s調(diào)節(jié)時間ts=1.04s超調(diào)量%=58.2%校正后：上升時間tr=0.024s峰值時間tp=0.0493s調(diào)節(jié)時間ts=0.383s超調(diào)量%=1%校正前后伯德圖為：校正后頻域動態(tài)性能指標(biāo)：Gm = 19.6 %幅值裕度Pm = 67.1 %相角裕度Wx= 266 %穿越頻率W

11、c= 55 %截止頻率矯正前后系統(tǒng)的根軌跡：矯正前系統(tǒng)的根軌跡矯正后系統(tǒng)的根軌跡四、課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）總結(jié)或結(jié)論超前校正、滯后校正、滯后超前校正，對系統(tǒng)性能的影響1.超前校正的目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)靜態(tài)性能不受損的前提下，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性。一般使校正環(huán)節(jié)的最大相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)新的穿越頻率點(diǎn)。 2.滯后校正通過加入滯后校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的開環(huán)增益有較大幅度增加，同時又使校正后的系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)保持原系統(tǒng)的良好狀態(tài)。它利用滯后校正環(huán)節(jié)的低通濾波特性，在不影響校正后系統(tǒng)低頻特性的情況下，使校正后系統(tǒng)

12、中高頻段增益降低，從而使其穿越頻率前移，達(dá)到增加系統(tǒng)相位裕度的目的。 3.滯后-超前校正適用于對校正后系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能有更多更高要求的場合。施加滯后-超前校正環(huán)節(jié)，主要是利用其超前部分增大系統(tǒng)的相位裕度，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能；利用其滯后部分改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。五、心得體會通過以上利用MATLAB工具輔助設(shè)計(jì)及完成實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)分析結(jié)果與理論相符合，達(dá)到了任務(wù)書中的要求。通過此次課程設(shè)計(jì)讓我對自動控制原理中的時域、頻域、根軌跡分析系統(tǒng)以及系統(tǒng)的校正有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，同時也對MATLAB工具有了更深入的了解，也能夠利用MATLAB工具輔助學(xué)習(xí)自動控制原理的課程，對這門課有了更為形象的認(rèn)識。也為以

13、后更進(jìn)一步學(xué)習(xí)自控理論相關(guān)知識打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。六、參考文獻(xiàn) 1 作者1, 作者2. 書名. 出版單位, 版本. 出版日期 胡壽松自動控制原理 科技出版社 2009.07（第五版） 鄭振亞自動控制原理課程設(shè)計(jì) 武漢理工大學(xué) 附錄自動控制理論A課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、 目的與要求本次課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完自動控制理論課程后進(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對自動控制理論課程所學(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)以滿足具體的性能指標(biāo)； 能靈活應(yīng)用MATLAB的

14、CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真軟件，分析系統(tǒng)的性能，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。二、 主要內(nèi)容1、簡要介紹控制系統(tǒng)理論的基本概念和基本方法，并介紹MATLAB軟件的基本知識。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對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究;簡要介紹控制系統(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

15、簡化、模型實(shí)現(xiàn)、模型特性、方程求解、時域響應(yīng)、頻域響應(yīng)、根軌跡等各個方面。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)來解決所給控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題,并上機(jī)實(shí)驗(yàn);撰寫課程設(shè)計(jì)報告。2.1、自選單位負(fù)反饋系統(tǒng)，開環(huán)傳遞函數(shù)一個三階或以上系統(tǒng)。（1）、繪制閉環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線。（2）、求出系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)。（3）、繪制對數(shù)幅頻、相頻特性曲線，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)。（1）、，繪制由的根軌跡，繪制取三個不同數(shù)值時單位階躍響應(yīng)曲線，并求出動態(tài)性能指標(biāo)。（2）、，采用頻率校正法進(jìn)行設(shè)計(jì)。滿足穩(wěn)態(tài)性能要求，求出，繪制校正后系

16、統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，波德圖，并求出系統(tǒng)時域、頻域動態(tài)性能指標(biāo)?；颍ㄑa(bǔ)充：也可以采用更多的方法如：根軌跡法，串聯(lián)工程法，串聯(lián)綜合法（希望特性法）進(jìn)行設(shè)計(jì)。）（3）、若單獨(dú)超前校正或滯后校正不滿足采用滯后超前校正。繪制校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，波德圖，并求出系統(tǒng)時域、頻域動態(tài)性能指標(biāo)。2.3、在一幅圖上繪制第2或3步校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，在一幅圖上繪制第（2）或（3）步校正前后系統(tǒng)波德圖。2.4、根據(jù)校正前、后時域、頻域性能指標(biāo)以及對比圖分析得出結(jié)論，按自己所作課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容撰寫課程設(shè)計(jì)報告。3、考核。三、 進(jìn)度計(jì)劃序號設(shè)計(jì)內(nèi)容完成時間備注1下發(fā)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，簡要介紹控制理論的概念、方法、MATLAB軟件及控制