自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計

1、 自動控制原理及系統(tǒng)仿 真課程設計 學 號： 1030620227 姓 名： 李斌 指導老師： 胡開明 學 院：機械與電子工程學院 目錄1、 設計要求.12、 設計報告的要求.13、 題目及要求.1（一）自動控制仿真訓練.1（二）控制方法訓練.19（三）控制系統(tǒng)的設計.234、 心得體會.275、 參考文獻.28 自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計一：設計要求：1、 完成給定題目中，要求完成題目的仿真調試，給出仿真程序和圖形。2、 自覺按規(guī)定時間進入實驗室，做到不遲到，不早退，因事要請假。嚴格遵守實驗室各項規(guī)章制度，實驗期間保持實驗室安靜，不得大聲喧嘩，不得圍坐在一起談與課程設計無關的空話，若違規(guī)

2、，則酌情扣分。3、 課程設計是考查動手能力的基本平臺，要求獨立設計操作，指導老師只檢查運行結果，原則上不對中途故障進行排查。4、 加大考查力度，每個時間段均進行考勤，計入考勤分數(shù)，按照運行的要求給出操作分數(shù)。每個人均要全程參與設計，若有1/3時間不到或沒有任何運行結果，視為不合格。二：設計報告的要求：1.理論分析與設計2.題目的仿真調試，包括源程序和仿真圖形。3.設計中的心得體會及建議。三：題目及要求一）自動控制仿真訓練1.已知兩個傳遞函數(shù)分別為：在MATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示；MATLAB代碼：num=1den=3 1G=tf(num,den)E F=zero(G)

3、A B C D=tf2ss(num,den)num=2den=3 1 0G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)仿真結果：num =2den =3 1 0Transfer function: 2-3 s2 + s E = Empty matrix: 0-by-1 F = 0.6667 A =-0.3333 0 1.0000 0B= 1 0C = 0 0.6667D = 0num = 1den =3 1Transfer function: 1-3 s + 1E =Empty matrix: 0-by-1F =0.3333A = -0.3333B

4、 =1C =0.3333D =0在MATLAB中分別求出通過反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系統(tǒng)模型。MATLAB代碼：num1=1den1=3 1G1=tf(num1,den1)num2=2den2=3 1 0G2=tf(num2,den2)G3=G1*G2G4=G1+G2仿真結果：num1 =1den1 =3 1Transfer function: 1-3 s + 1 num2 =2 den2 = 3 1 0 Transfer function: 2 - 3 s2 + s Transfer function: 2-9 s3 + 6 s2 + s Transfer function: 3 s2 +

5、7 s + 2-9 s3 + 6 s2 + s 2. 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MATLAB代碼：num=1 7 24 24den=1 10 35 50 24G=tf(num,den)p=eig(G)p1=pole(G)r=roots(den)仿真結果：num = 1 7 24 24den = 1 10 35 50 24Transfer function: s3 + 7 s2 + 24 s + 24-s4 + 10 s3 + 35 s2 + 50 s + 24p =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000p1=-4.0000 -3.0000 -2.0000

6、-1.0000r =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.00003. 單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制根軌跡圖，并求出與實軸的分離點、與虛軸的交點及對應的增益。MATLAB代碼：num=1den=conv(1 2.73 0,1 2 2)rlocus(num,den)axis(-8 8 -8 8)figure(2)r=rlocus(num,den);plot(r,'-')axis(-8 8 -8 8)gtext('x')gtext('x')gtext('x')仿真結果：num =1den =1.0000 4.7

7、300 7.4600 5.4600 04. 已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist,并能夠求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。MATLAB代碼：s=tf('s')G=5*(10*s+1)/(s*(s2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)figure(1)bode(G)gridfigure(2)nyquist(G)gridaxis(-2 2 -5 5)仿真結果：Transfer function:sTransfer function: 50 s + 5-0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + s5考慮如圖所示的反饋控制系統(tǒng)的模型，各個模塊為，用M

8、ATLAB語句分別得出開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線。MATLAB代碼：num=4den=1 2 3 4G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1 -3den=1 3G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1den=0.01 1G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num1=4den1=1 2 3 4G1=tf(num1,den1)num2=1 -3de

9、n2=1 3G2=tf(num2,den2)num3=1den3=0.01 1G3=tf(num3,den3)G=G1*G2G0=feedback(G,G3)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)figure(2)step(G)y,t=step(G)plot(t,y)仿真結果：num =4den =1 2 3 4Transfer function: 4-s3 + 2 s2 + 3 s + 4Transfer function: 4-s3 + 2 s2 + 3 s + 8 y =1.0e+024 *0-0.8394 2.3467 -3.8466 4.9206 -5.0901

10、3.9226t = 0 1.4293 2.8586 4.2879 5.7172 7.1465 8.5758 . . 464.5216 465.9509 467.3802 468.8094num =1 -3den =1 Transfer function:s - 3-s + 3Transfer function:s - 3- 2 s y = 1.0e+004 *num =1den =0.0100 1.0000Transfer function: 1-0.01 s + 1Transfer function: 1-0.01 s + 2y =0t=0num1 =4den1 =1 2 3 4Transf

11、er function: 4-s3 + 2 s2 + 3 s + 4num2 =1 -3den2 =1 3Transfer function:s - 3-s + 3num3 =1den3 =0.0100 1.0000Transfer function: 1-0.01 s + 1Transfer function: 4 s - 12-s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12Transfer function: 0.04 s2 + 3.88 s - 12-0.01 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 sy = 1.0e+004 *t=0

12、二）控制方法訓練微分先行控制設控制回路對象，分別采用常規(guī)PID和微分先行PID控制后系統(tǒng)輸出的響應曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。Simulink仿真如下：Smith預估控制設控制回路對象，設計Smith預估控制器，分別采用常規(guī)PID和Smith預估控制后系統(tǒng)輸出的響應曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。Simulink仿真如下：大林算法控制設被控對象傳函，目標閉環(huán)傳遞函數(shù)，試設計大林控制器，并在Matlab中進行驗證。Simulink仿真如下：三）控制系統(tǒng)的設計1.雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計要求：完成雙容水箱控制系統(tǒng)的性能指標：超調量<30%,調節(jié)時間<30s

13、,擾動作用下系統(tǒng)的性能較單閉環(huán)系統(tǒng)有較大的改進。1）. 分析控制系統(tǒng)的結構特點設計合理的控制系統(tǒng)設計方案；2）.建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，完成系統(tǒng)的控制結構框圖；3）.完成控制系統(tǒng)的主副控制器的控制算法策略的選擇(PID)，并整定相應的控制參數(shù)；4）.完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設計。5）.寫出系統(tǒng)的PID算法控制程序等的軟件程序代碼（C語言或匯編語言）。以THJ-2型過程控制實驗對象測得的實驗數(shù)據(jù)為：上水箱直徑為25cm，高度為20cm,當電動閥輸出的開度為50時，得水泵流量為Q=4.3186L/min,水箱自平衡時的液位高度為10

14、.894cm,說明給定的頻率階躍信號適當，不會使系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性因素增大，更不會引起系統(tǒng)輸出出現(xiàn)超調量的情況，在開度為50時下水箱的液位隨時間變化值如下表：T/min0123456789H/cm00.674.765.967.638.308.839.399.8310.05T/min10111213141516171819H/cm10.1610.4010.5010.6310.7210.7610.8310.8910.8910.89下水箱直徑為35cm，高度為20cm,當電動閥開度為40時， 得水泵流量為Q=2.6064L/min,水箱自平衡時的液位高度為10.838cm,同樣說明給定的頻率階躍信

15、號適當，在開度為40時時上水箱的液位隨時間變化值如下表：T/min00.371.372.373.374.375.376.377.37H/cm01.172.163.163.835.175.305.836.50T/min8.379.3710.3711.3712.3713.3714.3715.3716.37H/cm7.037.547.838.368.509.039.179.509.76T/min17.3718.3719.3720.3721.3722.3723.3724.3725.37H/cm9.8310.1010.3610.5010.8410.8410.8410.8410.84Simulink仿真如

16、下：2.基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計要求：完成雙閉環(huán)的直流電機調速系統(tǒng)的微機控制設計，超調量<30%，調節(jié)時間<0.5s，穩(wěn)態(tài)無靜差。1） 分析控制的結構特點設計合理的控制系統(tǒng)的控制方案；2） 選擇合適的檢測與執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結構設計；3） 建立系統(tǒng)的各控制參數(shù)的數(shù)學模型；4） 分別完成轉速和電流控制系統(tǒng)的控制算法的選擇和參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)設計；5） 完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設計。設直流電機，電樞電阻，V-M系統(tǒng)的主電路總電阻，電樞電路的電磁時間常數(shù)，機電時間常數(shù)，測速反饋系數(shù),系統(tǒng)

17、的電流反饋系數(shù)，觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks=30，三相平均失控時間Ts=0.00167s，電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉速環(huán)濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。Simulink仿真如下：四、心得體會 通過為期三天的課程設計，我有如下幾點感想： 首先，通過這次課程設計讓我熟悉并掌握了MATLAB軟件的使用方法，而且通過頻繁地使用MATLAB對傳遞函數(shù)、零極點、狀態(tài)空間表達方法和串聯(lián)、并聯(lián)、反饋后得到的系統(tǒng)模型進行仿真，通過MATLAB繪制Bode圖、Nyquist圖，對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行判定等，復習了從MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐中學到的知識，并加深了對其的理解與運用。 其次，通過對微分先行控制、smith預估控制、大林算法控制進行調試仿真，明白了它