《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程設(shè)計指導(dǎo)書

《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程設(shè)計指導(dǎo)書一、目的和任務(wù)配合《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程的理論教學(xué)，通過課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，學(xué)會運用MATLAB語言進行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計的基本技能，有效地提高學(xué)生實驗動手能力?；疽螅?、利用MATLAB提供的基本工具，靈活地編制和開發(fā)程序，開創(chuàng)新的應(yīng)用。2、熟練地掌握各種模型之間的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的時域、頻域分析及根軌跡繪制。3、熟練運用SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真。4、掌握PID控制器參數(shù)的設(shè)計。二、設(shè)計要求1、編制相應(yīng)的程序，并繪制相應(yīng)的曲線。2、對設(shè)計結(jié)果進行分析。3、撰寫和打印設(shè)計報告（包括程序、結(jié)果分析、仿真結(jié)構(gòu)框圖、結(jié)果曲線）。三、設(shè)計內(nèi)容1、本次設(shè)計有八個可以選擇的題目，至少選擇兩個題目進行設(shè)計。2、“設(shè)計報告”要按規(guī)定的格式撰寫（對于存在“邏輯混亂”、“文字不清”、“作圖潦草”等問題的報告，將予以退回重新撰寫）。3、無論計算機錄入/打印還是手工書寫，均要求用標(biāo)準(zhǔn)A4紙進行撰寫，以便于報告最終的批閱與存檔。四、時間安排1、課程設(shè)計時間為一周。2、第1天布置設(shè)計題目，講授設(shè)計的要求。3、第2～4天學(xué)生進行設(shè)計。4、第5天教師驗收，然后學(xué)生撰寫和打印設(shè)計報告。選題一：二階彈簧—阻尼系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計及參數(shù)整定考慮彈簧－阻尼系統(tǒng)如圖1所示，其被控對象為二階環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)如下，參數(shù)為M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，。設(shè)計要求：（1）控制器為P控制器時，改變比例系數(shù)大小，分析其對系統(tǒng)性能的影響并繪制相應(yīng)曲線。（2）控制器為PI控制器時，改變積分系數(shù)大小，分析其對系統(tǒng)性能的影響并繪制相應(yīng)曲線。(例如當(dāng)Kp=50時，改變積分系數(shù)大小)（3）設(shè)計PID控制器，選定合適的控制器參數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量σ%<20%，過渡過程時間Ts<2s,并繪制相應(yīng)曲線。圖1彈簧－阻尼系統(tǒng)示意圖彈簧－阻尼系統(tǒng)的微分方程和傳遞函數(shù)為：圖2閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖選題二：Bode圖法設(shè)計串聯(lián)校正裝置考慮一個單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其前向通道傳遞函數(shù)為：設(shè)計要求：應(yīng)用Bode圖法設(shè)計一個串聯(lián)校正裝置，使得校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，相角裕量，幅值裕量。選題三：二階系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置的設(shè)計與分析設(shè)某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：設(shè)計要求：選用合適的方法設(shè)計一個串聯(lián)校正裝置，使閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量，過渡過程時間，開環(huán)比例系數(shù)，并分析串聯(lián)校正裝置中增益、極點和零點對系統(tǒng)性能的影響。選題四：串聯(lián)超前—滯后校正裝置的設(shè)計設(shè)某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：設(shè)計要求：選用合適的方法設(shè)計一個串聯(lián)超前—滯后校正裝置，使校正后的系統(tǒng)滿足如下性能指標(biāo)：速度誤差系數(shù)，相角裕量，剪切頻率。選題五：單級倒立擺的最優(yōu)控制器設(shè)計與分析某單級倒立擺如圖1所示，其狀態(tài)方程已知。圖1單級倒立擺示意圖其中小車的質(zhì)量為M=0.5kg，倒立單擺的質(zhì)量為m=0.2kg，小車的摩擦系數(shù)為b=0.1N/m/s，端點與倒立單擺質(zhì)心的距離為l=0.3m，倒立單擺的慣量I=0.006kg*m2，輸入量u=F是施加在小車上的外力，四個狀態(tài)變量分別是小車的坐標(biāo)x，x的一階導(dǎo)數(shù)，倒立單擺的垂直角度Φ，Φ的一階導(dǎo)數(shù)。輸出的被控量分別是小車的坐標(biāo)x和倒立單擺的垂直角度Φ。試根據(jù)誤差指標(biāo)J最優(yōu)意義下最優(yōu)的規(guī)則設(shè)計線性二次型最優(yōu)控制器，利用SIMULINK搭建系統(tǒng)框圖進行仿真，滿足如下指標(biāo)：（1）輸出量x和Φ的過渡過程時間小于2s。（2）輸出量x的上升時間小于0.5s。（3）輸出量Φ的超調(diào)量小于20°（0.35rad/s）。選題六：雙容水箱串級PID控制器的設(shè)計圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾?？刂颇繕?biāo)為維持下水箱液位的恒定。圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖設(shè)計要求：（1）已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）。（2）針對雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計單回路PID控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真。（3）針對該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計串級控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進行仿真。選題七：最優(yōu)PID控制器參數(shù)設(shè)計與分析某過程控制系統(tǒng)如圖1所示，試設(shè)計PID控制器參數(shù)，使該系統(tǒng)動態(tài)性能達到最佳。設(shè)計要求：（1）PID控制器參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)分別選取ISE準(zhǔn)則、ITSE準(zhǔn)則、IAE準(zhǔn)則、ITAE準(zhǔn)則。不同的準(zhǔn)則定義參見如下網(wǎng)頁：/link?url=2C6c2-If8hgSG9SyrOVn7sbZqoPQFS5qixKkGKznyk9P4KTOOrbOhW239vpwK8j1（2）比較選取不同準(zhǔn)則的目標(biāo)函數(shù)下控制系統(tǒng)的動態(tài)性能（如超調(diào)量、快速性等）。圖1過程控制系統(tǒng)示意圖選題八：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示，由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓QUOTEUdm。圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計要求：（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差。（2）動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖如圖2所示，由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等