交通運輸自動控制原理課程設計報告

1、交通運輸自動控制原理課程設計報告目錄1自動控制系統(tǒng)建模設計·· ·····························11.1 系統(tǒng)建模題目 111.1.1 基本構成及機理分析 ······ ···

2、;···· ··············21.1.2 反饋控制結構模型及工作原理·······················22自動控制系統(tǒng)仿真實驗分析···

3、··········· ··············72.1 系統(tǒng)仿真實驗題目1 ·· ····················&

4、#183;········72.1.1 實驗步驟 ····································72.1.2 實驗分析計算依據(jù)

5、3;············· ··············72.1.2 結論圖表數(shù)據(jù)分析·············· ······

6、;········72.2 系統(tǒng)仿真實驗題目2 ·· ·····························82.3 系統(tǒng)仿真實驗題目3 ·· ···

7、83;·········· ··············8附錄 A 程序源代碼 ·······················&#

8、183;···········40 附錄 B ············ ······· ·················

9、3;···42 參考文獻 ············ ······· ·····················441 自動控制系統(tǒng)建模設計1 1系統(tǒng)建模題目 1查閱控制系

10、統(tǒng)的相關專業(yè)資料， 運用自動控制系統(tǒng)的基本構成及反饋控制原理對通控制系統(tǒng)進行機理分析，建立其反饋控制結構模型，闡明系統(tǒng)的工作原理。我們選擇ATO 系統(tǒng)進行研究。 ATO 系統(tǒng)即列車自動駕駛子系統(tǒng)(ATO-AutomaticTrainOperation) 。是列車控制系統(tǒng) (automatictrain control ， ATC) 重要的子系統(tǒng)。 ATO系統(tǒng)能代替司機駕駛列車，使列車平穩(wěn)地加速到運行速度，并根據(jù)接收到的ATP 限制速度命令和 ATO 到站停車速度曲線自動調(diào)整列車速度，實現(xiàn)列車牽引加速、勻速惰行、減速制動控制和精確停車等基本駕駛功能。 ATO 系統(tǒng)的功能分為基本控制功能和服務功能

11、?；究刂乒δ馨ǎ鹤詣玉{駛、自動折返、自動控制車門、屏蔽門開閉。這三個基本控制功能相互之間獨立地運行。服務及其他功能包括：故障自診斷、運行信息記錄、列車位置、允許速度、巡航 /惰行功能、 PTI( 列車識別系統(tǒng) )支持功能。在這里我們主要分析 ATO 中自動駕駛（即自動調(diào)整列車速度）的功能，研究其自動控制的結構模型。1.1.1基本構成及機理分析ATO 系統(tǒng)的速度調(diào)整系統(tǒng)構成： 由運行等級模式曲線計算模塊、PID 速度控制器和受控對象（列車運行模型）共同組成。運行等級模式曲線的計算模塊根據(jù)當前區(qū)間情況離線計算運行等級模式曲線，PID 速度控制器根據(jù)選定的運行等級，以該等級的運行等級模式的目標速

12、度一距離曲線為目標曲線，輸出速度信號施加給受控對象（列車運行模型），控制列車快速平穩(wěn)的跟隨給定的目標速度曲線。其速度控制系統(tǒng)的框圖如圖所示。運行等級PID 速度受控對象（列車運控制器模式曲線行模型）+計算模塊-11.1.2反饋控制結構模型及工作原理PID 速度 受控對象 V 控制器+-上圖為 ATO 控制系統(tǒng)的反饋結構模型。 PID 速度控制器即 PID（比例（proportion ）、積分（ integration ）、微分（ differentiation ）控制器，由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成，傳遞函數(shù)為：Kp 、 Ki 、 Kd 三個參數(shù)常量通過系統(tǒng)整定得

13、到。受控對象即為列車模型，這里我們?nèi)×熊嚹Ｐ偷膫鬟f函數(shù)為：所以整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：通過相關參數(shù)整定方法，我們可以得知：工作原理：在求和單元，來自運行等級模式曲線計算模塊的目標速度信號和實際速度信號相加，共同輸入 PID 速度控制器， 這個控制器把收集到的實際速度信號和一個目標速度信號進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的信號達到或者保持在目標速度。接著新的輸入信號傳遞到列車，通過相關設備調(diào)整列車實際運行速度，最后設備觀測的實際速度信號又反饋回求和單元。整個控制過程即反饋控制原理： 由相關設備獲得被控對象 （列車）的實際速度信號，通過 PID 控制器

14、比較計算，輸出調(diào)整信號又作用于被控對象調(diào)整實際運行速度。22 自動控制系統(tǒng)仿真實驗分析2 1系統(tǒng)仿真實驗題目1使用 Matlab 軟件，對下圖所示交通控制系統(tǒng)的特性進行仿真實驗分析。位置目標變量被控對象實際運行位置列車或機動車R(S)變量 Y (S)速度K 11/(s+2)(s+8)1/s_K2=5列車或機動車運行（位置）自動控制系統(tǒng)（ 1）繪制 K 1=200 時的開環(huán)對數(shù)頻率特性圖(Bode 圖)，仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。（ 2）繪制關于參數(shù)K1 的閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖，仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.1.1實驗步驟(1) 第一步：根據(jù)題目中的框圖圖求出其開環(huán)傳遞函數(shù)。第二步：由求出來的開環(huán)

15、傳遞函數(shù)運用Matlab 軟件畫出 Bode 圖。第三步：然后用Matlab 對 bode 圖求解穩(wěn)定裕度。（2）第一步：由題求出其閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)第二步：運用函數(shù)語句rlocus(sys)由開環(huán)傳遞函數(shù)畫出其閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖。第三步：分析根軌跡圖，討論系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.1.2實驗分析計算依據(jù)由框圖計算系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：被控對象傳遞函數(shù)為： F(s)=1/(s2+10*s+21)k1=200 時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=k1* F(s)*1/s=200/(s*(s2+10*s+21)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為： G= k1*1/(s*(s2+10*s+21)2.1.3結論圖表數(shù)據(jù)分析3(1)

16、 利用 matlab 繪制開環(huán)對數(shù)頻率特性圖：Bode Diagram50)0Bd(edu-50tingaM -100-150 -90)-135ged(e-180sahP -225 -270-110012310101010Frequency(rad/s)上圖為幅頻特性曲線圖，下圖為相頻特性曲線圖同時利用 matlab 仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度：4)Bd(edutingaM)ged(esahPBode DiagramGm = 0.424 dB (at 4.58 rad/s) , Pm = 1.29 deg (at 4.47 rad/s)500-50-100-150-90-135-180-225

17、-270-110012310101010Frequency(rad/s)由圖形可知 , 幅值裕度 Gm 為 0.424dB ，相角裕度 Pm 為 1.29deg工程上推薦幅值裕度大于6dB ，相角裕度 30-60deg. 所以該系統(tǒng)穩(wěn)定裕度較小， 系統(tǒng)已經(jīng)瀕臨不穩(wěn)定，系統(tǒng)的靈敏性和快速性較強，同時系統(tǒng)的振蕩也較激烈。(2) 利用開環(huán)傳遞函數(shù) 1/(s*(s2+10*s+21) ，用 rlocus(sys) 語句繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡圖，在根軌跡圖上任意選擇軌跡上某點就可以得到對應的參數(shù)K1=Gain.5Root Locus20System: G15System: GGain: 799Pole: 1

18、.54 + 7.67iGain: 209Damping: -0.196Pole: -0.00217 + 4.58iOvershoot (%): 1881)10Damping: 0.000475Frequency (rad/s): 7.82-sOvershoot (%): 99.9dFrequency (rad/s): 4.58no5ces(si0xASystem: GyrGain: 0a-5nPole: 0iSystem: GgDamping: -1aGain: 209mOvershoot (%): 0I-10Pole: -0.00474 - 4.57iSystem: GFrequency (

19、rad/s): 0Damping: 0.00104Gain: 852-15Overshoot (%): 99.7Pole: 1.63 - 7.85iFrequency (rad/s): 4.57Damping: -0.203Overshoot (%): 192-20Frequency (rad/s): 8.02-20-15-10-50510-25Real Axis (seconds -1 )由根軌跡圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在虛軸上有3 個極點，粗略估計分別當K1=209,0,209時取得。說明系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍在K1 取 0209 左右 ，當 K1 大于 209 后系統(tǒng)不穩(wěn)定。2 2系統(tǒng)仿真實驗題目2司機

20、駕駛汽車的模型如下圖所示，其中，K=5.3 。（a）若反應時間 T=0, 求出系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應、增益裕度和相角裕度；（b）當 T=0.1s 時，估算系統(tǒng)的相角裕度；（c）為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定（即相角裕度為00），計算所需的反應時間。6方向盤汽車C(s)R(s)sTK橫向偏移預期路線es2s預測器s20.8s0.322.2.1實驗步驟（ a）根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)；用matlab 繪制開環(huán) bode 圖求閉環(huán)頻率特性、增益裕度、相角裕度。（ b）根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)；并且用matlab 繪制出相應的 Bode 圖求出相角裕度。（ c）利用 matlab 求出系統(tǒng)相角裕度的具體

21、數(shù)值，令反應時間為一系列連續(xù)取值，編寫循環(huán)程序，找到相角裕度為零時的反應時間。2.2.2實驗分析計算依據(jù)T=0 時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3)T=0 時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)： G=5.3/(s3+5.3*s2+5.3*0.8*s+5.3*0.32)T=0.1 時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：G=exp(-0.1*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3開環(huán) G=exp(-t*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s32.2.3結論圖表數(shù)據(jù)分析（a）系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應、增益裕度和相角裕度7)Bd(edutingaM)ged(esahPBode Di

22、agramGm = -22.4 dB (at 0.566 rad/s) , Pm = 81.3 deg (at 5.3 rad/s)150100500-50-90-135-180-225-270-1012-21010101010Frequency(rad/s)由圖可知幅值裕度Gm 為-22.4dB ，相角裕度 Pm 為 81.3deg系統(tǒng)不穩(wěn)定。（b）T=0.1 時估算系統(tǒng)相角裕度8)Bd(edutingaM)ged(esahPBode DiagramGm = 9.14 dB (at 15.2 rad/s) , Pm = 51 deg (at 5.3 rad/s)150100500-500-1

23、80-360-540-720-1012-21010101010Frequency(rad/s)由上圖可知，當T=0.1 時估算系統(tǒng)相角裕度Pm=51deg（c）為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定（即相角裕度為00），計算所需的反應時間。通過前期工作循環(huán)迭代工作，大概確定滿足要求的最優(yōu)反應時間在0.1 到 0.5 之間，將T 值范圍確定在 0.1-0.5 步長取 0.0001 ，帶入程序求最優(yōu)值。9)ged(esahP)Bd(edutingaMBode DiagramGm = -0.00569 dB (at 5.3 rad/s) , Pm = -0.00794 deg (at 5.3 rad/s)15010050

24、0-500-360-720-1080-1440-1800-1012-21010101010Frequency(rad/s)由循環(huán)程序求出臨界反應時間為T=0.2677此時系統(tǒng) Pm 約等于 0，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定。2 3系統(tǒng)仿真實驗題目3人們常用電子電路和計算機來控制汽車。下圖給出了一個汽車駕駛控制系統(tǒng)的例子，其中，控制桿負責操縱車輪。假定司機的反應時間T=0.2s 。（a）用 Bode 圖確定增益 K 的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰Mp 不大于 2dB ；（b）根據(jù) Mp 或相角裕度分別估計系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，若所得結果不同，請解釋原因；（c）估計閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。10Y(s)人的反應時間車和前輪行駛方

25、向R(s)控制桿e sTKs(0.1s 1)2.3.1實驗步驟（a）使用循環(huán)求解法。前期試湊出 K 值的大概范圍，然后在此范圍內(nèi)連續(xù)取一系列的 K 值，找出符合條件的最優(yōu) K 值。求出 K 的取值范圍。（b）取 K=2，求出此時系統(tǒng)的 Mp 與 Pm 分別利用兩種公式求出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，比較差異，分析誤差原因。（ c ）利用系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，求出系統(tǒng)帶寬。控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應包括帶寬和諧振峰值，帶寬指閉環(huán)系統(tǒng)的 bode 圖中幅頻特性曲線下降到 3 分貝所對應的頻率，諧振峰值指幅頻特性曲線圖中最大幅頻值。 bandwidth(sys) 可以直接求出帶寬2.3.2實驗步驟實驗分析計算依據(jù)系統(tǒng)閉

26、環(huán)傳遞函數(shù)： G=k*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+k*exp(-0.2*s)系統(tǒng) t=2 時閉環(huán)傳遞函數(shù)： G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s)系統(tǒng) t=2 時開環(huán)傳遞函數(shù)： G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s2+s)2.3.3結論圖表數(shù)據(jù)分析（a）用 Bode 圖確定增益 K 的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰Mp 不大于 2dB ；11Bode Diagram200System: GPeak gain (dB): 2At frequency (rad/s): 3.14)-20Bd(edu-40tingaM-60-80-100-1

27、10012310101010Frequency(rad/s)由循環(huán)程序得最優(yōu) K 值為 2.4780 ，此時諧振峰值為 2 所以 K 的取值范圍為（ 0，2.4780 ）（b）根據(jù) Mp 或相角裕度分別估計系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，若所得結果不同，請解釋原因；由程序求出此時系統(tǒng) Mp=0.4837dB ，Pm = 3.0576deg 阻尼系數(shù)由諧振峰值求得阻尼系數(shù)為：=由相角裕度求得阻尼系數(shù)為：=誤差原因：（ c）估計閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。設 K=2。此時閉環(huán)系統(tǒng)帶寬用 bandwidth(sys) 語句求出。同時繪制 bode 圖，由圖形求帶寬，驗證結果。12由函數(shù)語句求出系統(tǒng)帶寬為（0，4.2744 ）r

28、ad/sBode Diagram200System: GFrequency (rad/s): 4.27)-20Magnitude (dB): -3Bd(ed-40utingaM-60-80-100-110012310101010Frequency(rad/s)由閉環(huán)系統(tǒng) bode 圖可知，幅值 -3dB 對應的頻率為帶寬頻率4.27rad/s與函數(shù)求出的帶寬值符合附錄 A程序源代碼系統(tǒng)仿真實驗題目1 程序源代碼：1.Bode 圖繪制代碼 :>> s=tf('s')>> G=200/(s*(s2+10*s+21)>> bode(G)>&g

29、t; grid132.Bode 圖穩(wěn)定裕度代碼 :>> s=tf('s')>> G=200/(s*(s2+10*s+21)margin(G)3.根軌跡圖源代碼 :>> s=tf('s')G=1/(s*(s2+10*s+21)rlocus(G)系統(tǒng)仿真實驗題目2 程序源代碼：1. T=0 求閉環(huán)頻率響應、增益裕度和相角裕度：>> s=tf('s');>> G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3);>> margin(G);2. T=0.1 求相角裕度：>> s=tf('s&#