自动控制原理及系统仿真课程方案设计书.doc

自动控制原理及系统仿真课程设计姓 名： 专 业： 自 动 化 班 级： 10306203 学 号： 10306203 学 院： 机械与电子工程系 二零一三年十一月二十四日 一、 设计要求1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。二、 Matlab仿真及结果一）自动控制仿真训练1.已知两个传递函数分别为：在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示； 传递函数、零极点、和状态空间法表示如下1.1传递函数程序代码：num=1den=3 1g=tf(num,den)运行结果：num = 1den = 3 1g = 1 - 3 s + 1 Continuous-time transfer function.1.2零极点程序代码：Gtf=tf(1,3 1)z,p,k=zpkdata(Gtf, v)运行结果：z = Empty matrix: 0-by-1p = -0.3333k =0.33331.3状态空间法程序代码：num=1den=3 1gtf=tf(num,den)gss=ss(gtf)运行结果：gss = a = x1 x1 -0.3333 b = u1 x1 0.5 c = x1 y1 0.6667 d = u1 y1 0 Continuous-time state-space model. 传递函数、零极点、和状态空间法表示如下2.1传递函数程序代码：num=2den=3 1 0g=tf(num,den)运行结果：num = 2den = 3 1 0g = 2 - 3 s2 + s Continuous-time transfer function.2.2零极点程序代码：Gtf=tf(2,3 1 0)z,p,k=zpkdata(Gtf, v)运行结果：z = Empty matrix: 0-by-1p = 0 -0.3333k =0.66672.3状态空间法程序代码：num=2den=3 1 0gtf=tf(num,den)gss=ss(gtf)运行结果：gss = a = x1 x2 x1 -0.3333 0 x2 1 0 b = u1 x1 1 x2 0 c = x1 x2 y1 0 0.6667 d = u1 y1 0Continuous-time state-space model.在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型。1.反馈程序代码：num1=1;den1=3 1;num2=2;den2=3 1 0;G1=tf(num1,den1);G2=tf(num2,den2);Gf1=G1/(1+G1*G2)运行结果：Gf1 = 9 s3 + 6 s2 + s - 27 s4 + 27 s3 + 9 s2 + 7 s + 2Continuous-time transfer function.2.串联程序代码：num1=1;den1=3 1;num2=2;den2=3 1 0;G1=tf(num1,den1);G2=tf(num2,den2);Gp=G1+G2运行结果：Gp = 3 s2 + 7 s + 2 - 9 s3 + 6 s2 + sContinuous-time transfer function.3.并联程序代码：num1=1;den1=3 1;num2=2;den2=3 1 0;G1=tf(num1,den1);G2=tf(num2,den2);Gs=G2*G1运行结果：Gs = 2 - 9 s3 + 6 s2 + sContinuous-time transfer function.2. 系统的传递函数模型为，判断系统的稳定性。程序代码：num=1 7 24 24;den=1 10 35 50 24;G=tf(num,den)Gc=feedback(G,1)num,den=tfdata(Gc,v);r=roots(den)disp(系统闭环极点:);disp(r)a=find(real(r)=0);b=length(a);if b0disp=(系统不稳定.);else disp(系统稳定.);end 程序结果：Gc = s3 + 7 s2 + 24 s + 24 - s4 + 11 s3 + 42 s2 + 74 s + 48Continuous-time transfer function.r = -5.5616 -2.0000 + 1.4142i -2.0000 - 1.4142i -1.4384 系统闭环极点: -5.5616 -2.0000 + 1.4142i -2.0000 - 1.4142i -1.4384 系统稳定.3.单位负反馈系统的开环传递函数为，绘制根轨迹图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。程序代码：num=1;den=conv(1 2.73 0,1 2 2);rlocus(num,den)程序结果：4. 已知系统的开环传递函数为，绘制系统的Bode图和Nyquist,并能够求出系统的幅值裕度和相角裕度。程序代码：s=tf(s);G=5*(10*s+1)/(s*(s2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)step(feedback(G,1);bode(G)gridgm,pm=margin(G)figure(2)nyquist(G)运行结果：G = 50 s + 5 - 0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + s Continuous-time transfer function.Warning: The closed-loop system is unstable. In warning at 26 In DynamicSystem.margin at 63 In NKST at 6 gm = 0.0093pm = -65.04195考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为，用MATLAB语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。程序代码：num1=4;den1=1 2 3 4;num2=1 -3;den2=1 3;G1=tf(num1,den1);G2=tf(num2,den2);Gs=G1*G2step(Gs)运行结果：Gs = 4 s - 12 - s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12 程序代码：num1=4;den1=1 2 3 4;num2=1 -3;den2=1 3;G1=tf(num1,den1);G2=tf(num2,den2);Gs=G1*G2num3=1;den3=0.01,1;Hs=tf(num3,den3);G0=feedback(Gs,Hs)step(G0)运行结果：Gs = 4 s - 12 - s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12Continuous-time transfer function.G0 = 0.04 s2 + 3.88 s - 12 -酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 0.01 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 s彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 二）控制方法训练1、微分先行控制设控制回路对象，分别采用常规PID和微分先行PID控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。常规PID：微分先行PID控制：2、Smith预估控制设控制回路对象，设计Smith预估控制器，分别采用常规PID和Smith预估控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。常规PID：Smith预估控制3、大林算法控制设被控对象传函，目标闭环传递函数，试设计大林控制器，并在Matlab中进行验证。三）控制系统的设计1.双容水箱串级控制系统的设计要求：完成双容水箱控制系统的性能指标：超调量30%,调节时间30s,扰动作用下系统的性能较单闭环系统有较大的改进。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1）. 分析控制系统的结构特点设计合理的控制系统设计方案；2）.建立控制系统的数学模型，完成系统的控制结构框图；3）.完成控制系统的主副控制器的控制算法策略的选择(PID)，并整定相应的控制参数；4）.完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制要求，完成系统的理论的设计。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。5）.写出系统的PID算法控制程序等的软件程序代码（C语言或汇编语言）。以THJ-2型过程控制实验对象测得的实验数据为：上水箱直径为25cm，高度为20cm,当电动阀输出的开度为50时，得水泵流量为Q=4.3186L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.894cm,说明给定的频率阶跃信号适当，不会使系统动态特性的非线性因素增大，更不会引起系统输出出现超调量的情况，在开度为50时下水箱的液位随时间变化值如下表：籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。T/min0123456789H/cm00.674.765.967.638.308.839.399.8310.05T/min10111213141516171819H/cm10.1610.4010.5010.6310.7210.7610.8310.8910.8910.89下水箱直径为35cm，高度为20cm,当电动阀开度为40时， 得水泵流量为Q=2.6064L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.838cm,同样说明给定的频率阶跃信号适当，在开度为40时时上水箱的液位随时间变化值如下表：預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。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/cm9.8310.1010.3610.5010.8410.8410.8410.8410.842.基于数字控制的双闭环直流电机调速系统设计要求：完成双闭环的直流电机调速系统的微机控制设计，超调量30%，调节时间0.5s，稳态无静差。1） 分析控制的结构特点设计合理的控制系统的控制方案；2） 选择合适的检测与执行元件和控制器，完成控制系统的硬件结构设计；3） 建立系统的各控制参数的数学模型；4） 分别完成转速和电流控制系统的控制算法的选择和参数的整定，完成系统设计；5） 完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制要求，完成系统的理论的设计。设直流电机，电枢电阻，V-M系统的主电路总电阻，电枢电路的电磁时间常数，机电时间常数，测速反馈系数,系统的电流反馈系数，触发整流装置的放大系数Ks=30，三相平均失控时间Ts=0.00167s，电流滤波时间常数Toi=0.002s，转速环滤波时间常数Ton=0.01s。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。三、 实验心得通过本次课程设计，对自动控制原理的知识有了更具体的理解和直观的认识。通过三个设计，对于微机控制的计算机仿真，让我初步掌握Matlab的基本应用并对其工作原理和输入输出情况进行分析，将理论和实践联系在一起。在设计过程中，需要应用到的数电等方面的知识，通过此次设计也让我将这些知识进行了复习。而通过对参数进行设定和计算，提高了自身的计算能力和理解能力。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。总之，通过课程设计，我有了很多收获。不但让自己的知识结构更加合理，也让自己的知识面更加广泛。通过此次课程设计，我认识到了自己的不足并作出了弥补，让自身得到了提高。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。17