交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理

課程設(shè)計(jì)報(bào)告運(yùn)輸1203班12251104劉君君運(yùn)輸1202班12251120遲浩楠課程設(shè)計(jì)內(nèi)容：本課程設(shè)計(jì)包括以下兩項(xiàng)內(nèi)容：1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)目的：運(yùn)用交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理課程所學(xué)的反饋控制原理，建立交通控制系統(tǒng)的模型。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容：題目：查閱交通控制系統(tǒng)的相關(guān)專業(yè)資料，運(yùn)用自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及反饋控制原理對(duì)交通控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理分析，建立其反饋控制結(jié)構(gòu)模型，闡明系統(tǒng)的工作原理。所選自動(dòng)控制系統(tǒng)：鐵路列車(chē)調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)TDCS系統(tǒng)基本情況介紹TDCS(TrainOperationDispatchingCommandSystem)是覆蓋全路的調(diào)度指揮管理系統(tǒng)，能及時(shí)、準(zhǔn)確地為全路各級(jí)調(diào)度指揮管理人員提供現(xiàn)代化的調(diào)度指揮管理手段和平臺(tái)。TSCS系統(tǒng)是我國(guó)鐵路調(diào)度指揮現(xiàn)代化進(jìn)程中的重要環(huán)節(jié)，它采用現(xiàn)代信息技術(shù)改變傳統(tǒng)落后的行車(chē)調(diào)度方式，以通信、信號(hào)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、多媒體等多學(xué)科為寄出的提要分散控制、集中管理的現(xiàn)代化綜合性的運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)。TDCS系統(tǒng)是覆蓋全局主要干線的行車(chē)調(diào)度指揮管理信息系統(tǒng)，路局行車(chē)調(diào)度臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)行車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)、集中、透明的控制，可以采用自動(dòng)化手段控制調(diào)整運(yùn)輸方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)下達(dá)運(yùn)輸計(jì)劃和調(diào)度命令，一改過(guò)去車(chē)站向調(diào)度員人工報(bào)點(diǎn)，調(diào)度員向車(chē)站用電話下達(dá)計(jì)劃和調(diào)度命令，車(chē)站值班員手抄再?gòu)?fù)頌確認(rèn)的落后方式，同時(shí)也大大減輕了車(chē)站值班員和調(diào)度員的工作。1） 行車(chē)階段簡(jiǎn)要分析建模：（4）機(jī)理分析:采用衛(wèi)星、雷達(dá)等速度方向檢測(cè)器對(duì)列車(chē)現(xiàn)有的速度、方向等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄并輸入到路局的計(jì)算機(jī)中心，將該數(shù)據(jù)與列車(chē)安全的行駛速度、方向進(jìn)行對(duì)比，若該數(shù)據(jù)與列車(chē)安全的行駛速度、方向有出入，則通過(guò)中央調(diào)度站及時(shí)調(diào)整運(yùn)輸方案，再通過(guò)列車(chē)控制器采取相應(yīng)的措施，對(duì)列車(chē)安全速度、方向進(jìn)行控制調(diào)整，起到控制列車(chē)運(yùn)行的作用。自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析3.1系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目1使用Matlab軟件，對(duì)下圖所示交通控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

繪制K1=200時(shí)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖（Bode圖），仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定程度。繪制關(guān)于參數(shù)K1的閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖，方真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解答：第一步，打開(kāi)matlab輸入simulink回車(chē)，出現(xiàn)如圖所示界面SearchResults:(none)FrequentlyUsed[}-srivatives1ntE^ratDiLimitedE31ntEgTat^sr,Be-Dond-OrderLi...)=ID冏ASearchResults:(none)FrequentlyUsed[}-srivatives1ntE^ratDiLimitedE31ntEgTat^sr,Be-Dond-OrderLi...)=ID冏A卜F'lDCcntiDl1st{2DOF)JXa-Ax+6UI1y-cs+airTransferFen阿V^fiableTimeD-elayLibrary:Simulink/ContinuousInt&gratoiPIDControlleriState-SpacsTranspsrtDelayZetoP-c-IeIntE-grstDT,Secand-OrderVsfiableTransportDelayIntaGratylIniCLtl{艸7Zefc-PoleFil^EditView旦&lpEntersearchtermLibra.ries」陽(yáng)Simuli門(mén)kCommonlyUsedBloctContinuousDiscontinuitiesDiscreteLogicandBitOperaticLookupTablesMathOperation;sModelVerificationModel-WideUtilitiesPorts&SubsystemsSignalAttributesSignalRoutingSinksSourcesUser-DefinedFunction;l>AdditionalMath&Dis怙AerospaceBlockset咕Communications>Syste怙ComputerVisionSyste咕ControlSystemloolb-cDSPSystemToolbox%EmbeddedCoder直FuzzyLogicToolboxiHDLVerifier咕ImageA匚quishionToo咕InstrumentControlToi咕ModelPredictiveConi咕NeuralNetworkToolb怙OPCToolboxrrrShowing:Simulink/Continuous在file下拉菜單中新建模型工作區(qū)間，保存名為ycfz.mdl文件。

第二步，在simulink窗口選擇原件并連接起來(lái)，如圖所示：為使其能與matlab工作空間相聯(lián)系，這里采用的是In與out,而不采用階躍輸入輸出連接示波器觀察現(xiàn)象。第三步，在matlab工作區(qū)間新建程序空間編寫(xiě)程序如下[a,b,c,d]=linmod('ycfz');sys=ss(a,b,c,d); %控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型sysa=tf(sys); %控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)sysb=sysa/(1-sysa);y=minreal(sysb); %控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)%margin(y);%grid;%nichols(y);%grid;rlocus(y); %對(duì)傳遞函數(shù)的各種性能及判穩(wěn)分析打開(kāi)ycfz.mdl文件，運(yùn)行程序仿真可得：'coPLlcloQs'coPLlcloQs旳盪>」匚一恐=_這里也可以通過(guò)Routh計(jì)算可知:系統(tǒng)穩(wěn)定K1的范圍是0<K1<210當(dāng)K1=200時(shí)，得其開(kāi)環(huán)Bode圖為：

BodeDiagramGm=0.42斗dB(at4.58raci/s),Prn=1.29BodeDiagramGm=0.42斗dB(at4.58raci/s),Prn=1.29出已g(ai4.47rad/s)10_110°10110Z10'Frequency(radXs)增益裕量為0.424dB，相角裕量為1.29度，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好。3.2系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2司機(jī)駕駛汽車(chē)的模型如下圖所示，其中，K=5.3。若反應(yīng)時(shí)間T=0,求出系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)，增益裕度和相角裕度;當(dāng)T=0.1s時(shí)，估算系統(tǒng)的相角裕度；為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定(即相角裕度為0。)，計(jì)算所需的反應(yīng)時(shí)間。R⑸s2+0?8s+0.32C⑸橫向偏移G2>In1解答：由2.1的仿真步驟，可得其系統(tǒng)仿真圖為：在這里，s2+°?8s+°.32多項(xiàng)式在simulink中無(wú)法表示出來(lái)(由于，規(guī)定傳遞函數(shù)分母階次不小于分子)，故這里采用加入次要極點(diǎn)的方法表示。其中num(s)二s2+0.8s+0.32ex=ex=1+由于延遲環(huán)節(jié)可由泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)：x x2 x3++-1! 2! 3!這里可將延遲環(huán)節(jié)近似為e八1+罟+存+?…?1-STT=0時(shí)，系統(tǒng)無(wú)延遲環(huán)節(jié)，由根軌跡分析可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的。5.3(s2+0.8s+0.32)G(s)= 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： s3 ，對(duì)其matlab仿真:num=[5.34.241.696];den=[1000];y=tf(num,den);margin(y);3odeDiagramGm=-孕.4dB(at0.566radfV,Pm=81為.deg[at5;3.raci/s)150, 1 1 r-co5aco5a〔口總〔口總-s.>n.cdio'2 10_l 10° 101 102Frequency血日祝:’增益裕量為-22.4dB，相角裕量為81.3度，系統(tǒng)不穩(wěn)定(2)T=0.1時(shí)e-sT=1-0.1s(由于此系統(tǒng)分母階次不能小于分子，故只能一階近-0.53s3+0.576s2+4.071s+1.69G(s)=似)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： s3 ，仿真結(jié)果如下：num=[-0.530.5764.0711.69];den=[1000];y=tf(num,den);margin(y);BodeDiagramGm=5.51dB(atInfradte),Prri=7.44deq(at2.97radte)15Lli 1 1 r0050005010io11廣10io11廣10-'■10°Frequency增益裕量為5.51dB，相角裕量為7.44度，系統(tǒng)穩(wěn)定當(dāng)系統(tǒng)相角裕量為0時(shí)，開(kāi)環(huán)增益為0dB,系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)_(1-sT)G.3s2+4.24s+1.69)s3 ，令幅值為G(別_1算出的w值與T有關(guān)，再代入相頻求得相角為-180度從而可解出T的值；求解過(guò)程略；3.3系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目3人們常用電子電路和計(jì)算機(jī)來(lái)控制汽車(chē)。下圖給出了一個(gè)汽車(chē)駕駛控制系統(tǒng)的例子，其中，控制桿負(fù)責(zé)操縱車(chē)輪。假定司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間T=0.2s。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；根據(jù)Mp或相角裕度分別估計(jì)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，若所得結(jié)果不同，請(qǐng)解釋原因；估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。

解答：同理延遲環(huán)節(jié)可近似為e八1-sT-1-0.2s，故系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=歸詈閉環(huán)傳遞函數(shù)為T(mén)(閉環(huán)傳遞函數(shù)為T(mén)(s)=G(s)1+G(s)K(1-0.2s)0.1s2+(1-0.2K)s+K，零頻幅值M0=T(jw)，w=0時(shí)的幅值，由傳遞函數(shù)可算出：M0=1；由Bode圖法試湊出K=30時(shí)諧振峰值為2dB，此時(shí)的諧振頻率wr=12.8，如圖所示:System;呼■'Frequert^frad/sy12System;呼■'Frequert^frad/sy12.3Magnitude(ciEQ:蠻101-102Frequency(rad^^'It/由Mp算阻尼系數(shù)：w2T(jW)= n(jw由Mp算阻尼系數(shù)：w2T(jW)= n(jw)2+2匚(jW)+w2nnw2-W2)+(2?Ww)2n令dM(w)/dw=O，可得諧振頻率w=wv1-2?2,0<^<0.707r n諧振峰值為：Mp=12J：1-匚2,0<?<0.707,Mp=2dB可算得阻尼系數(shù):=0.707由相角裕量估算阻尼系數(shù)：當(dāng)K=30時(shí)可由Bode圖得相角裕量:BodeDiagramGm=-15.6dB(at7.07rad/s),Prn=?BodeDiagramGm=-15.6dB(at7.07rad/s),Prn=?75.6已已g(at59.4rad/s)1o'1 -10D 1Q1 102 10^Frequency(radXs)相角裕量為Y=-75.6度，又由于H=100?，可估算:=0.756，與Mp估計(jì)得不一樣，因?yàn)閮煞N方法各有近似，允許存在誤差；系統(tǒng)帶寬定義為系統(tǒng)閉環(huán)幅值衰減到零頻幅值M0的0.707的頻率范圍wb，這里M0=1則M(jw)=0.707時(shí)可算得wb=42.3rad,即系統(tǒng)帶寬為42.34．結(jié)語(yǔ)《自動(dòng)控制原理》對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一門(mén)嶄新卻又熟悉的課程。雖然僅僅學(xué)習(xí)了8周的時(shí)間，但這門(mén)課程很大程度上提高了我們針對(duì)問(wèn)題提出分析和解決方案的能力。我們學(xué)習(xí)的是自動(dòng)控制的基本概念、基本原理和基本方法。盡管每一種問(wèn)題的解決方案千變?nèi)f化，但只要我們找準(zhǔn)固定的思路，再稍作變化，問(wèn)題便可迎刃而解。通過(guò)這門(mén)課程，我們學(xué)習(xí)到了數(shù)學(xué)模型的建立和求解、線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、根軌跡的繪制和利用根軌跡法分析系統(tǒng)的性能等。我們很大的感受就是，這是一門(mén)與數(shù)學(xué)緊密相關(guān)的課程。例如老師在講解拉普拉斯變換時(shí)，還涉及到了階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、正弦函數(shù)等。拉普拉斯變換主要是用來(lái)求解在時(shí)間域系統(tǒng)的輸入和輸出的偏微分方程，拉普拉斯變換主要就是把時(shí)間域變到復(fù)頻域。這些名詞最初聽(tīng)上去都很抽象，但只要我們從抽象的概念中分析出事物間的聯(lián)