《自動(dòng)控制理論》課程設(shè)計(jì)-基于自動(dòng)控制理論的性能分析與校正說課講解

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)基于自動(dòng)控制理論的性能分析與校正-自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)報(bào)告名稱：自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)題目：基于自動(dòng)控制理論的性能分析與校正班級(jí)：11電本班學(xué)號(hào)：201192160116學(xué)生姓名：閆磊指導(dǎo)教師：杜麗霞自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)題目基于自動(dòng)控制理論的性能分析與校正二、目的與要求本課程為自動(dòng)控制理論A的課程設(shè)計(jì)，是課堂的深化。設(shè)置自動(dòng)控制理論A課程設(shè)計(jì)的目的是使MATLAB成為學(xué)生的基本技能，熟悉MATLAB這一解決具體工程問題的標(biāo)準(zhǔn)軟件，能熟練地應(yīng)用MATLAB軟件解決控制理論中的復(fù)雜

2、和工程實(shí)際問題，并給以后的模糊控制理論、最優(yōu)控制理論和多變量控制理論等奠定基礎(chǔ)。作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生很有必要學(xué)會(huì)應(yīng)用這一強(qiáng)大的工具，并掌握利用MATLAB對(duì)控制理論內(nèi)容進(jìn)行分析和研究的技能，以達(dá)到加深對(duì)課堂上所講內(nèi)容理解的目的。通過使用這一軟件工具把學(xué)生從繁瑣枯燥的計(jì)算負(fù)擔(dān)中解脫出來，而把更多的精力用到思考本質(zhì)問題和研究解決實(shí)際生產(chǎn)問題上去。通過此次計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下的基本要求：1.能用MATLAB軟件分析復(fù)雜和實(shí)際的控制系統(tǒng)。2.能用MATLAB軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標(biāo)要求。3.能靈活應(yīng)用MATLAB的CONTROLSYSTEM工具箱和SIMULINK仿真軟件，分析系

3、統(tǒng)的性能。三、主要內(nèi)容1前期基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括MATLAB系統(tǒng)要素，MATLAB語言的變量與語句，MATLAB的矩陣和矩陣元素，數(shù)值輸入與輸出格式，MATLAB系統(tǒng)工作空間信息，以及MATLAB的在線幫助功能等。2控制系統(tǒng)模型，主要包括模型建立、模型變換、模型簡化，Laplace變換等等。3控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，主要包括系統(tǒng)的各種響應(yīng)、性能指標(biāo)的獲取、零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響、高階系統(tǒng)的近似研究，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的求取。4控制系統(tǒng)的根軌跡分析，主要包括多回路系統(tǒng)的根軌跡、零度根軌跡、純遲延系統(tǒng)根軌跡和控制系統(tǒng)的根軌跡分析。5控制系統(tǒng)的頻域分析，主要包括系統(tǒng)Bode圖、Nyq

4、uist圖、穩(wěn)定性判據(jù)和系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。6控制系統(tǒng)的校正，主要包括根軌跡法超前校正、頻域法超前校正、頻域法滯后校正以及校正前后的性能分析。四、設(shè)計(jì)成果要求上機(jī)用MATLAB編程解題，從教材或參考書中選題，控制系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡分析法、控制系統(tǒng)的頻域分析法每章選擇兩道題。第六章校正選四道，其中根軌跡超前校正一道、滯后校正一道、頻域法超前校正一道、滯后校正一道。并針對(duì)上機(jī)情況整理課程設(shè)計(jì)報(bào)告。課程設(shè)計(jì)報(bào)告以WORD電子文檔形式提交，文件名為班級(jí)學(xué)號(hào)姓名。課程設(shè)計(jì)報(bào)告包括題目、解題過程及程序清單和最后的運(yùn)行結(jié)果（曲線），課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論以及參考文獻(xiàn)。A控制控制系統(tǒng)模型

5、1、已知負(fù)系統(tǒng)的前向通路傳遞函數(shù)為G(s)=，反饋通路傳遞函數(shù)為H(s)=,在MATLAB環(huán)境下獲得其連續(xù)傳遞函數(shù)形式模型。G=tf(318,conv(11,135)H=tf(51,151)T=feedback(G,H)T1=zpk(T);n,d=tfdata(T,v)z,p,k=zpkdata(T,v)figure(1);pzmap(T);title(零極點(diǎn)圖)K=dcgain(T)figure(2);step(T,30);title(階躍響應(yīng))figure(3);impulse(T,15);title(脈沖響應(yīng))figure(4);T1=tf(1,10);T2=T1*T;step(T2,1

6、2);title(斜坡響應(yīng))figure(5);t=0:0.1:10;lsim(T,sin(t),t);title(正絃響應(yīng))figure(5);t=0:0.1:10;lsim(T,cos(t),t);title(余絃響應(yīng))Transferfunction:3s+18-s3+4s2+8s+5Transferfunction:5s+1-15s+1Transferfunction:45s2+273s+18-15s4+61s3+139s2+176s+23n=004527318d=156113917623z=-6.0000-0.0667p=-0.8891+2.0231i-0.8891-2.0231i-

7、2.1418-0.1466k=3K=0.78262.求一傳遞函數(shù)G(s)=的零極點(diǎn)及其增益，并求其拉式逆變換。G=tf(325,conv(2513,116)z,p,k=zpkdata(G,v)r,p,o=residue(325,conv(2513,116)symss;H=sum(r./(s-p)h=ilaplace(H)step(G,16)Transferfunction:3s2+2s+5-2s4+7s3+30s2+43s+78z=-0.3333+1.2472i-0.3333-1.2472ip=-1.2500+2.2220i-1.2500-2.2220i-0.5000+2.3979i-0.50

8、00-2.3979ik=1.5000r=-0.3654-0.2618i-0.3654+0.2618i0.3654+0.0441i0.3654-0.0441ip=-1.2500+2.2220i-1.2500-2.2220i-0.5000+2.3979i-0.5000-2.3979io=H=(-19/52-4716156920120833/18014398509481984*i)/(s+5/4-5003608633227365/2251799813685248*i)+(-19/52+1179039230030209/4503599627370496*i)/(s+5/4+50036086332273

9、65/2251799813685248*i)+(19/52+3178375326749789/72057594037927936*i)/(s+1/2-5399626265330703/2251799813685248*i)+(19/52-3178375326749789/72057594037927936*i)/(s+1/2+5399626265330703/2251799813685248*i)h=(-19/26+3/18014398509481984*i)*exp(-5/4*t)*cos(5003608633227365/2251799813685248*t)+94323138402416

10、69/18014398509481984*sin(5003608633227365/2251799813685248*t)*exp(-5/4*t)+19/26*exp(-1/2*t)*cos(5399626265330703/2251799813685248*t)-3178375326749789/36028797018963968*sin(5399626265330703/2251799813685248*t)*exp(-1/2*t)B不控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法已知二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G（s）=,wn=6,求=0.1，0.3，0.4，0.52時(shí)的階躍脈沖斜坡響應(yīng)曲線和cossin曲線。wn=6;

11、fore=0.1:0.1:2figure(1);step(wn2,12*e*wnwn2,9);holdon;title(階躍)figure(2);impulse(wn2,12*e*wnwn2,9);holdon;title(脈沖)G=tf(wn2,12*e*wnwn2);figure(3);t=0:0.1:20;lsim(G,cos(t),t);holdon;title(cos曲線)figure(4);t=0:0.1:20;lsim(G,sin(t),t);holdon;title(sin曲線)figure(5);step(wn2,conv(10,12*e*wnwn2),12);holdon;

12、title(斜坡曲線)end給出一個(gè)穩(wěn)定的開環(huán)系統(tǒng)：G(s)=觀察不穩(wěn)定零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)階躍和脈沖曲線的影響。fora=1:10G=zpk(1/a,-3-7,100)figure(1);step(G,3.5);holdon;title(階躍);holdon;figure(2);impulse(G,2.1);holdon;title(脈沖);holdon;endC控制系統(tǒng)的根軌跡分析1，給出一個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）=。（1）求根軌跡；（2）求根軌跡分離點(diǎn)的值K1；（3）求阻尼比=0.7時(shí)主導(dǎo)極點(diǎn)的K2值，并繪制此時(shí)系統(tǒng)階躍脈沖響應(yīng)。Selectapointinthegraphicswindows

13、elected_point=-2.0379-0.0155iK1=60.3371c=-20.3314-11.4835-2.1449-2.0401Selectapointinthegraphicswindowselected_point=-2.6066+2.6553iK2=400.2531c=-21.7638-8.9720-2.6321+2.6473i-2.6321-2.6473iZero/pole/gain:400.2531(s+5)-(s+21.76)(s+8.972)(s2+5.264s+13.94)2.已知單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(S)=，繪制該系統(tǒng)的根軌跡。z=;fora=0:0.0

14、1:100n=0055*a;d=conv(112,conv(11,13);c=n+d;k=roots(c);z=z;k;endplot(z,.)axisequal;axis(-140-66)title(參量根軌跡)D控制系統(tǒng)的頻域分析1已知系統(tǒng)開環(huán)的脈沖傳遞函數(shù)為：G(s)=,求系統(tǒng)的Bode圖及nyquist曲線，nichols曲線。G=tf(1280640,124.21604.81320.2416)z,p,k=zpkdata(G,v)W=logspace(-2,3,100);figure(1);bode(G,W);title(伯德圖);gridonkgrqoqc=margin(G)figu

15、re(2);nichols(G,W);ngrid;title(尼柯爾斯圖)axis(-2700-4040);figure(3);nyquist(G);title(乃奎斯特圖);gridonaxisequalTransferfunction:1280s+640-s4+24.2s3+1605s2+320.2s+16z=-0.5000p=-12.0000+38.1576i-12.0000-38.1576i-0.1000+0.0000i-0.1000-0.0000ik=1280kg=29.8637r=72.8960qo=39.9099qc=0.9036某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G=當(dāng)k=1，2，3，4，5

16、，6，7，8，9，10時(shí)，繪制系統(tǒng)伯德圖和乃奎斯特曲線。fork=1:10G=tf(k,conv(conv(10,0.061),conv(0.00251,0.0021);figure(1);nyquist(G);s=num2str(k);gtext(s);holdonfigure(2);bode(G);holdonendTransferfunction:1-3e-007s4+0.000275s3+0.0645s2+sTransferfunction:2-3e-007s4+0.000275s3+0.0645s2+sTransferfunction:3-3e-007s4+0.000275s3+0.

17、0645s2+sTransferfunction:4-3e-007s4+0.000275s3+0.0645s2+sTransferfunction:5-3e-007s4+0.000275s3+0.0645s2+sTransferfunction:6-3e-007s4+0.000275s3+0.0645s2+sTransferfunction:7-3e-007s4+0.000275s3+0.0645s2+sE控制系統(tǒng)的校正串聯(lián)超前校正；已知單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(S)=試設(shè)計(jì)串聯(lián)超前校正裝置，使得系統(tǒng)指標(biāo)滿足單位斜坡輸入信號(hào)時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差ess0.1%相角裕度r45，穿越頻率wc150rad/

18、sGo=tf(4,conv(10,14);Gc1=1000;G1=Go*Gc1;bode(G1);gridon;Kg,r,wo,wc=margin(G1);Wc=160;A,W=bode(G1,Wc);a=1/A2;T=1/Wc/sqrt(a);Gc2=tf(a*T1,T1);Gc=Gc1*Gc2;G=Go*Gc;figure(6)bode(G);gridon;Kg1,r1,wo1,wc1=margin(G);figure(1);rlocus(Go)holdon;rlocus(G)gtext(校正前)gtext(校正后)figure(2);Go1=feedback(Go,1)impulse(G

19、o1,0.15)holdon;G2=feedback(G,1)impulse(G2,0.15);gtext(校正前)gtext(校正后)figure(3);Go1=feedback(Go,1)step(Go1,0.2)holdon;G2=feedback(G,1)step(G2,0.2)gtext(校正前)gtext(校正后)figure(4);bode(Go)holdon;bode(G)gtext(校正前)gtext(校正后)gtext(校正前)gtext(校正后)figure(5);nyquist(Go)holdon;nyquist(G)gtext(校正前)gtext(校正后)已知單位負(fù)反

20、饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(S)=試設(shè)計(jì)串聯(lián)滯后校正裝置，使得系統(tǒng)指標(biāo)滿足單位斜坡輸入信號(hào)時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差ess0.1%相角裕度r35Go=tf(0.5*0.151,conv(0.10,0.21);Gc1=60;G1=Go*Gc1;figure(6);bode(G1);gridon;Kg,r,wo,wc=margin(G1);Wc=5;A,w=bode(G1,Wc);a=A;T=1/(0.2-0.1)/Wc;Gc2=tf(T1,a*T1);Gc=Gc1*Gc2;G=Go*Gc;bode(G);gridon;Kg1,r1,wo1,wc1=margin(G);figure(1);rlocus(Go)holdon;rlocus(G)gtext(校正前)gtext(校正后)figure(2);Go1=feedback(Go,1)impulse(Go1,2.5)holdon;G2=feedback(G,1)impulse(G2,2,5);gtext(校正前)gtext(校正后)figure(3);Go1=feedback(Go,1)step(Go1,6)holdon;G2=feedback(G,1)step(G2,6)gtext(校正前)gte