控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)1

1、課 程設(shè)計(jì) 任務(wù)書課程設(shè)計(jì)題目控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)功能技本指標(biāo)使得電動(dòng)車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)在校正后階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%,調(diào)節(jié)時(shí)間小于4s。工作量二周工作計(jì)劃第一周學(xué)習(xí)如何使用MATLAB軟件與控制 系統(tǒng)的仿真等，第二周選擇課題然后進(jìn)行分組查 詢資料，最后借助軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行編程矯正 和分析，使實(shí)驗(yàn)達(dá)到題目要求的最優(yōu)化效果。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章設(shè)計(jì)題目及要求1設(shè)計(jì)題目1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 要求1 HYPERLINK l b

2、ookmark10 o Current Document 第2章校正前系統(tǒng)性能2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 時(shí)域性能2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 頻域性能5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第3章校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 校正方法選擇 6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 控制參數(shù)整定6 HYPERLINK

3、 l bookmark22 o Current Document 第4章校正后系統(tǒng)性能 7 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 時(shí)域性能7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 頻域性能9 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 結(jié)論10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 心得體會(huì)11第1章設(shè)計(jì)題目及要求設(shè)計(jì)題目：若系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G(s)=40/(s(s+3) (s+6),設(shè)計(jì)校正裝置。

4、電動(dòng)車控制系統(tǒng)：某電動(dòng)車控制系統(tǒng)如圖：曲I要求:系統(tǒng)在階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%,調(diào)節(jié)時(shí)間小于4s。第 2 章校正前系統(tǒng)性能2.1 時(shí)域性能(1)、繪制未加入校正裝置的系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，程序如下：function Tp,Mp,Tr,Ts=stepa(G)Y,t = step(G);cs=length(t);yss=Y(cs);ctp,tp=max(Y);Tp=t(tp);Mp=100*(ctp-yss)/yssk=cs+1;n=0;while n=0k=k-1;if Y(k)1.02*yssn=1;endendt2=t(k);if t1t2Ts=t1;elseTs=t

5、2;Endclear all;clear all;num=2.2;den=conv(1,0,conv(0.3,1,0.17,1);sys1=tf(num,den);sys2=feedback(sys1,1);figure(1);margin(sys1)figure(2);step(sys2)Tp,Mp,Tr,Ts=stepa(sys2)Mp =25.8043Tp =1.5355Mp =25.8043Tr =1.0631Ts =4.6066Step Response 1.4 ,EE.1.2/ ,r1 J. L - L_-/I00.8du t p mA 0.6 t0.4 -/ T0.2 -0 11

6、110123456Time (sec)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖2-12.2頻域性能由2.1節(jié)的程序可以得到系統(tǒng)的頻域曲線圖(2-2)如下所示Bode DiagramGm = 12.4 dB (at 4.43 rad/sec) , Pm = 43.8 deg (at 1.84 rad/sec)50LLIL U L L LLV L B L LIFLLJII,卜上LILiajjdfr 11r r t rr F.rr r r r ir r rru r t r r r r Frii r ir r r1IOWHflvesanp101100101102103Frequency (rad/sec)5318015

7、22 -控制系統(tǒng)的頻域響應(yīng)曲線圖2-2MATLAB運(yùn)行結(jié)果開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=2.2/(s (0.3s +1) (0.17s+1)Mp = 25.8043 Tp =1.5355Mp =25.8043 Tr =1.0631 Ts =4.6066系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量都較之題目要求大第 3 章 校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)校正方法選擇由于題目要求系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%，超調(diào)時(shí)間小于 4s ，系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是響應(yīng)時(shí)間較快和超調(diào)量較大，由于放大系數(shù) K 對(duì)超調(diào)量有影響，為此需要改變放大系數(shù)K 的值來(lái)滿足題目要求的預(yù)期值，根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)域性能和頻域性能可知適合采用比例 - 微分控制器（ PD 控

8、制器） 從比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)進(jìn)行校正，從物理的角度來(lái)分析，他可以降低系統(tǒng)的最大超調(diào)量，改變動(dòng)態(tài)性能，從頻率特性的角度來(lái)說(shuō)，它可以增加系統(tǒng)的相角裕量，是系統(tǒng)的震蕩減弱。校正環(huán)節(jié)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)離校正后系統(tǒng)剪切頻率的低頻段，利用之后網(wǎng)路的高頻幅值衰減特性，使校正后系統(tǒng)中頻段的幅頻將衰減|20lgb|dB,而其相頻可認(rèn)為不衰減，因此校正后系統(tǒng)的剪切頻率將減小，在新的剪切頻率出獲得較大的相角裕量，增加了穩(wěn)定性和高頻抗干擾的能力?？刂茀?shù)整定由 3.1 節(jié)的分析可得要調(diào)節(jié)到預(yù)期要求， 可通過(guò)調(diào)節(jié)比例系數(shù)K和微分系數(shù)yss來(lái)改變系統(tǒng)的性能，利用 MATLAB軟件對(duì)選擇 合理參數(shù)進(jìn)行逐次修改程序觀察校

9、驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，最終選擇了比例系數(shù) K=3 和微分控制系數(shù)為1.02，這樣滿足了系統(tǒng)的目標(biāo)要求參數(shù)的選定。第 4 章 校正后系統(tǒng)性能時(shí)域性能通過(guò)校正方法的選擇和控制參數(shù)的整定，校正后的程序如下所示：clear all;num=3;den=conv(1,0,0.17,1);sys1=tf(num,den);sys2=feedback(sys1,1);figure(1);margin(sys1)figure(2);step(sys2)Tp,Mp,Tr,Ts=stepa(sys2)利用 MATLAB 校正后的運(yùn)行結(jié)果為：Mp =4.7875Tp =1.0513Mp =4.7875Tr =0.7885S

10、tep ResponseTs =1.4455滿足了 Mp=4.78755% , Ts=1.44554s,其階躍響應(yīng)曲線和頻域響應(yīng)曲 線為下圖所示。1.41.2 1e 0.8 u p m A 0.60.4 0.2 000.20.40.60.811.21.41.61.82Time (sec)校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線4-1edML.noxa M10-1100101102Frequency (rad/sec) 校正后系統(tǒng)的頻域響應(yīng)曲線4-2meQesa&頻域性能校正后系統(tǒng)的頻域曲線如圖(4-2)所示，滿足題目要求Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm

11、 = 65.2 deg (at 2.72 rad/sec) 40 20020406090-135-180結(jié)論我組做的電動(dòng)車控制系統(tǒng)的超調(diào)矯正調(diào)節(jié)模型， 利用 MATLAB 軟件畫出系統(tǒng)階躍響應(yīng)的時(shí)域圖和 bode 圖，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我增加了 PD控制環(huán)節(jié)，并得到了以下結(jié)論，如果系統(tǒng)穩(wěn)定且僅需改變系統(tǒng)的超調(diào)量和超調(diào)時(shí)間，根據(jù)三種調(diào)節(jié)類型和調(diào)節(jié)特點(diǎn)，需要增加 PD 控制調(diào)節(jié)模型來(lái)滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)需求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)在軟件上選擇合理的參數(shù)進(jìn)行逐次校驗(yàn)，觀察 Mp、Tp、Tr和Ts,以及校正的階躍響應(yīng)曲線和頻域響應(yīng)曲線，直到滿足題目要求為止。在滿足題目要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正，糾正的過(guò)程和步驟必須根據(jù)實(shí)際需求，不可

12、死板一成不變，選定參數(shù)合理的利用 MATLAB 軟件， M-file 文件進(jìn)行調(diào)試程序，最后確定Mp和Ts達(dá)到最優(yōu)控制，確定了最后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，在一定的范圍內(nèi)滿足了性能指標(biāo)的范圍。心得體會(huì)通過(guò)這次對(duì)控制系統(tǒng)的滯后校正的設(shè)計(jì)與分析， 讓我對(duì) PD 校 正環(huán)節(jié)有了更清晰的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)課本的理解，對(duì)期末考試也起到了積極的復(fù)習(xí)作用，而且讓我更進(jìn)一步熟悉了相關(guān)MALAB軟件的基本編程方法和使用方法。在這次的課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，從整體思路的構(gòu)建到具體每一步的實(shí)現(xiàn)，過(guò)程并不是一帆風(fēng)順的，通過(guò)復(fù)習(xí)課本知識(shí)和查閱相關(guān)資料確定了整體思路，然后通過(guò)演算計(jì)算出 K 值確定校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，最后運(yùn)用 MATLAB 軟件編程驗(yàn)證、作圖。在word 編輯和運(yùn)用 MATLAB 軟件使用時(shí)遇到了一些問(wèn)題，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢和詢問(wèn)同學(xué)也都得到了解決，提高了對(duì)課設(shè)軟件的應(yīng)用能力。本次課程設(shè)計(jì)的核心是MATLAB 軟件的使用，通過(guò)軟件編程，我對(duì) MATLAB 的語(yǔ)言和應(yīng)用又更近一步的了解， 特別熟悉了一些對(duì)自動(dòng)控制的使用命令，如跟軌跡繪制函數(shù) rlocus()、時(shí)域圖step()、 伯德圖函數(shù)繪制bode()等。