自动控制原理课程设计(2).doc

自动控制原理课程设计(2)222020年4月19日文档仅供参考，不当之处，请联系改正。自动控制原理课程设计报告课程名称：自动控制原理 设计题目：自动控制原理MATLAB仿真 院 系：自机学院 班 级：电气(1)班 设 计 者：* 学 号：* 指导教师：* 设计时间： 1月 一 实验目的和意义：1. 了解matlab 软件的基本特点和功能，熟悉其界面，菜单和工具条；掌握线性系统模型的计算机表示方法，变换以及模型间的相互转换。了解控制系统工具箱的组成，特点及应用；掌握求线性定常连续系统输出响应的方法，运用连续系统时域响应函数（impulse,step,lsim）,得到系统的时域响应曲线。2. 掌握使用MATLAB软件作出系统根轨迹；利用根轨迹图对控制系统进行分析；掌握使用MATLAB软件作出开环系统的波特图，奈奎斯图；观察控制系统的开环频率特性，对控制系统的开环频率特性进行分析。3. 掌握MATLAB软件中simulink工具箱的使用；熟悉simulink中的功能模块，学会使用simulink对系统进行建模；掌握simulink的方真方法。二 实训内容1. 用matlab语言编制程序，实现以下系统：1）G(s)= 程序:num=5 24 0 18; den=1 4 6 2 2;h=tf(num,den) h=tf(num,den)Transfer function: 5 s3 + 24 s2 + 18-s4 + 4 s3 + 6 s2 + 2 s + 22) G(s)= 输入以下程序 n1=4*1 2;n2=1 6 6;n3=1 6 6;num=conv(n1,conv(n2,n3);d1=1 1;d2=1 1;d3=1 1;d4=1 3 2 5;den1=conv(d1,d2);den2=conv(d3,d4); den=den1 den2 0; h=tf(num,den)Transfer function: 4 s5 + 56 s4 + 288 s3 + 672 s2 + 720 s + 288-s8 + 2 s7 + s6 + s5 + 4 s4 + 5 s3 + 7 s2 + 5 s2. 两环节G1，G2串联，求等效的整体传递函数G(s) G1(s)= G2(s)=程序： n1=2;d1=1 3;sys1=tf(n1,d1); n2=7;d2=1 2 1;sys2=tf(n2,d2); sys12=sys1*sys2Transfer function: 14 - s3 + 5 s2 + 7 s + 33.两环节G1，,G2并联，求等效的整体传递函数G(s) G1(s)= G2(s)=输入以下指令： num1=2;den1=1 3;sys1=tf(num1,den1); num2=7;den2=1 2 1;sys2=tf(num2,den2); sys12=sys1+sys2 Transfer function: 2 s2 + 11 s + 23 - s3 + 5 s2 + 7 s + 34已知系统结构如图，求闭环传递函数。其中的两环节G1,G2分别为G1(s)= G2(s)=输入以下指令： n1=3 100;d1=1 2 81;n2=2;d2=2 5;s1=tf(n1,d1);s2=tf(n2,d2);sys=feedback(s1,s2)Transfer function: 6 s2 + 215 s + 500 - 2 s3 + 9 s2 + 178 s + 6055. 已知某闭环系统的传递函数为G(s)=,求其单位阶跃响应曲线，单位脉冲响应曲线。1） 单位阶跃响应 输入如下指令： num=10 25; den=0.16 1.96 10 25; y=step(num,den,t);plot(t,y); grid;（绘制单位阶跃响应图） title;（单位阶跃响应曲线图） 图5.1.1系统的阶跃响应曲线2) 单位脉冲响应 输入如下指令： num=10 25; den=0.16 1.96 10 25; t=0:0.01:3; y=impulse(num,den,t); plot(t,y);grid; 图5.1.2系统的脉冲响应曲线 6. 典型二阶系统的传递函数为G(s)=,为自然频率，为阻尼比，试绘制出当=0.5，分别取-2 ,0 ,2 ,4 ,6 ,8 ,10时该系统的单位阶跃响应曲线；分析阻尼比分别为-0.5，-1时系统的稳定性。输入如下指令：（1）.当=0.5，分别取-2、0、2、4、6、8、10时w=0:2:10;kosai=0.5;figure(1)hold onfor Wn=w num=Wn2; den=1,2*kosai*Wn,Wn2; step(num,den);endhold offgrid on;title(单位阶跃响应)xlabel(时间)ylabel(振幅)图6.1.1=0.5，分别取-2、0、2、4、6、8、10时的曲线图（2）.当=-0.5 w=0:2:10;kosai=-0.5;figure(1)hold onfor Wn=w num=Wn2; den=1,2*kosai*Wn,Wn2; step(num,den);endhold offgrid on;title(单位阶跃响应)xlabel(时间)ylabel(振幅)图6.1.2=-0.5时，系统的单位阶跃响应曲线图（3.当=-1 w=0:2:10;kosai=-1;figure(1)hold onfor Wn=w num=Wn2; den=1,2*kosai*Wn,Wn2; step(num,den);endhold offgrid on;title(单位阶跃响应)xlabel(时间)ylabel(振幅)图6.1.3=-1时单位阶跃响应曲线图分析：由以上结果能够知道当确定，取-0.5和-1时，其单位阶跃响应曲线是发散的，因此系统不稳定。阻尼比越大，振荡越弱，平稳性越好，反之，阻尼比越小，振荡越强，平稳性越差。7. 设有一高阶系统开环传递函数为G(s)=,试绘制该系统的零极点图和闭环根轨迹图。 1）系统的零极点 输入如下指令： num=0.016 0.218 1.436 9.359; den=0.06 0.268 0.635 6.271; z,p,k=tf2zp(num,den) 运行结果： z = -10.4027 -1.6111 + 7.3235i -1.6111 - 7.3235i p = -5.7710 0.6522 + 4.2054i 0.6522 - 4.2054i k = 0.2667图7.1.1 系统的零极点图 2）系统的闭环根轨迹 输入如下指令： num=0.016 0.218 1.436 9.359; den=0.06 0.268 0.635 6.271; rlocus(num,den) 图7.1.2 系统的闭环根轨迹图8. 单位反馈系统前向通道的传递函数为：G(s)=,试绘制该系统的Bode图和Nyquist曲线，说明软件绘制曲线与手动绘制曲线的异同。 1）绘制该系统的Bode图： 输入如下指令： num=0 0 2 8 12 8 2; den=1 5 10 10 5 1 0; margin(num,den) 图8.1.1 系统的Bode图 2)系统的Nyquist图 输入如下指令： num=0 0 2 8 12 8 2; den=1 5 10 10 5 1 0; nyquist(num,den)图8.1.2 系统Nyquist曲线9. 已知某控制系统的开环传递函数G(s)=,=1.5,试绘制系统的开环频率特性曲线，并求出系统的幅值和相位裕量。 输入如下指令: d1=1 1; d2=1 2 den1=conv(d1,d2); den=den1 0; num=10; bode(num,den) 程序运行结果如图所示图9.1.1 系统的开环频率特性曲线 gm,pm,wcg,wcp=margin(num,den) 运行结果如下： Gm=0.6000 %幅值裕量 pm = -12.9919 %相角裕量 wcg =1.4142 %Nyquist 曲线与负实轴交点处频率 wcp =1.8020 %截止频率10.在SIMULINK中建立系统，该系统阶跃输入时的连接示意图如下。K为学生学号后三位。绘制其单位阶跃响应曲线，分析其峰值时间，延迟时间，上升时间，调节时间及超调量。输入如下程序： num=219; den=1 9 219; step(num,den); grid;图10.1.1 单位阶跃响应曲线 分析其峰值时间，延迟时间，上升时间，调节时间及超调量 num=219; den=1 9 219; y,x,t=step(num,den); peak,k=max(y); overshoot=(peak-1)*100 tp=t(k) n=1; while y(n)0.98)&(y(m)10分贝，相位裕度大于等于45度。程序如下：G=tf(100,0.04,1,0);Gw,Pw,Wcg,Wcp=margin(G)G1=tf(100,0.04,1,0);G2=tf(100*0.025,1,conv(0.04,1,0,0.01,1)bode(G1)holdbode(G2,r)gridfigureG1c=feedback(G1,1);G2c=feedback(G2,1);step(G1c)holdstep(G2c,r)grid结果如下：Gw = InfPw = 28.0243Wcg = InfWcp = 46.9701Transfer function: 2.5 s + 100-0.0004 s3 + 0.05 s2 + s矫正前后的bode图和域响应图如下：图11.1矫正前后的bode图图11.2矫正前后的时域响应图三.总结本次课题设计，不但是对前面所学知识的一种检验，而且是对自己能力的一种提升。在设计过程中，我们经过到图书馆借阅了大量的自动控制原理MATLAB实现的相关资料，自学的时候与同学交流探讨，一步一步的分析和研究，并在老师和同学的帮助下，解决各种问题，最终完成了课题设计。在此期间遇到了不少问题，首先是对之前所学知识的遗忘，再次，MATLAB的初次见面也很陌生。不但要复习自动控制原理的相关知识，还要学习MATLAB软件的使用。经过这次课程设计，我巩固了自动控制原理所学的基本知识。同时，最主要的是对MATLAB软件有了初步了解，为以后的学习奠定一定的基础。也使我们明白了实践与理论相结合的重要性。在此过程中态度问题也是非常重要的。初步使用MATLAB时，不是很熟悉，出现了许多的问题，影响了实验的准确性。经过这次课题设计，锻炼了我们独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力；让我们学会使用MATLAB和Simulink动态仿真工具进行仿真与调试，更能提高我们自身的能力，理论与实践相结合，有助于我们自己的学习研究！四.参考文献【1】程鹏，自动控制原理（第二版），高等教育出版社， 【2】胡松涛，自动控制原理简明教程（第二版），科学出版社， 【3】赵广元，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社， 【4】张德丰，MATLAB自动控制设计，北京机械工业出版社， 【5】黄忠霖，自动控制原理的MATLAB实现，北京国防工业出版社，