自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計方案.docx

1、自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計姓名：專業(yè)：自 動化班級： 10306203學號： 10306203學院：機械與電子工程系二零一三年十一月二十四日1/18一、設計要求1、完成給定題目中，要求完成題目的仿真調(diào)試，給出仿真程序和圖形。2、自覺按規(guī)定時間進入實驗室，做到不遲到，不早退，因事要請假。嚴格遵守實驗室各項規(guī)章制度，實驗期間保持實驗室安靜，不得大聲喧嘩，不得圍坐在一起談與課程設計無關的空話，若違規(guī)，則酌情扣分。3、課程設計是考查動手能力的基本平臺，要求獨立設計操作，指導老師只檢查運行結(jié)果，原則上不對中途故障進行排查。4、加大考查力度，每個時間段均進行考勤，計入考勤分數(shù)，按照運行的要求給出操作分

2、數(shù)。每個人均要全程參與設計，若有 1/3時間不到或沒有任何運行結(jié)果，視為不合格。二、 Matlab 仿真及結(jié)果一）自動控制仿真訓練1.已知兩個傳遞函數(shù)分別為：在 MATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示；傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示如下1.1傳遞函數(shù)程序代碼：num=1den=3 1g=tf(num,den運行結(jié)果：num =1den =3 1g =1-3 s + 1Continuous-time transfer function.2/181.2零極點程序代碼：Gtf=tf(1,3 1z,p,k=zpkdata(Gtf,v運行結(jié)果：z =Empty matrix: 0-b

3、y-1p =-0.3333k =0.33331.3狀態(tài)空間法程序代碼：num=1den=3 1gtf=tf(num,dengss=ss(gtf運行結(jié)果：gss =a =x1x1 -0.3333b =u1x1 0.5c =x1y1 0.6667d =u1y10Continuous-time state-space model.3/18傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示如下2.1傳遞函數(shù)程序代碼：num=2den=3 1 0g=tf(num,den運行結(jié)果：num =2den =310g =2-3 s2 + sContinuous-time transfer function.2.2零極點程序代碼

4、：Gtf=tf(2,3 1 0z,p,k=zpkdata(Gtf,v運行結(jié)果：z =Empty matrix: 0-by-1p =0-0.3333k =0.66672.3狀態(tài)空間法程序代碼：num=2den=3 1 0gtf=tf(num,dengss=ss(gtf4/18運行結(jié)果：gss =a =x1x2x1-0.33330x210b =u1x11x20c =x1x2y100.6667d =u1y10Continuous-time state-space model.在 MATLAB中分別求出通過反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系統(tǒng)模型。1.反饋程序代碼：num1=1。den1=3 1。num2=2

5、。den2=3 1 0。G1=tf(num1,den1。G2=tf(num2,den2。Gf1=G1/(1+G1*G2運行結(jié)果：Gf1 =9 s3 + 6 s2 + s-27 s4 + 27 s3 + 9 s2 + 7 s + 2Continuous-time transfer function.5/182.串聯(lián)程序代碼：num1=1。den1=3 1。num2=2。den2=3 1 0。G1=tf(num1,den1。G2=tf(num2,den2。Gp=G1+G2運行結(jié)果：Gp =3 s2 + 7 s + 2-9 s3 + 6 s2 + sContinuous-time transfer

6、function.3.并聯(lián)程序代碼：num1=1。den1=3 1。num2=2。den2=3 1 0。G1=tf(num1,den1。G2=tf(num2,den2。Gs=G2*G1運行結(jié)果：Gs =2-9 s3 + 6 s2 + sContinuous-time transfer function.2.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。程序代碼：num=1 7 24 24。den=1 10 35 50 24。G=tf(num,denGc=feedback(G,1num,den=tfdata(Gc,v 。6/18r=roots(dendisp( 系統(tǒng)閉環(huán)極點:。disp(ra=find

7、(real(r=0。b=length(a。ifb0disp=( 系統(tǒng)不穩(wěn)定 .。elsedisp( 系統(tǒng)穩(wěn)定 .。end程序結(jié)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系統(tǒng)閉環(huán)極點 :-5.5616-2.0000 + 1.4142i-2.0000 - 1.4142i-1.4384系統(tǒng)穩(wěn)定 .3.單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制根軌跡圖，并求出與實軸

8、的分離點、與虛軸的交點及對應的增益。程序代碼：num=1 。den=conv(1 2.73 0,1 2 2。rlocus(num,den程序結(jié)果：7/184.已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制系統(tǒng)的 Bode圖和 Nyquist,并能夠求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。程序代碼：s=tf(s。G=5*(10*s+1/(s*(s2+0.2*s+1*(0.5*s+1step(feedback(G,1。bode(Ggridgm,pm=margin(Gfigure(2nyquist(G運行結(jié)果：G =50 s + 5-0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + sContinuous-time tr

9、ansfer function.Warning: The closed-loop system is unstable. In warning at 268/18In DynamicSystem.margin at 63In NKST at 6gm =0.0093pm =-65.04195考慮如圖所示的反饋控制系統(tǒng)的模型，各個模塊為，用 MATLAB 語句分別得出開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線。程序代碼：9/18num1=4 。den1=1 2 3 4。num2=1 -3。den2=1 3。G1=tf(num1,den1。G2=tf(num2,den2。Gs=G1*G2step(Gs運行結(jié)果：G

10、s =4 s - 12-s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12程序代碼：num1=4 。den1=1 2 3 4。num2=1 -3。10/18den2=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,Hsstep(G0運行結(jié)果：Gs =4 s - 12-s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12Continuous-time transfer function.G0 =0.04 s2 + 3.88 s - 12-0.01

11、 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 s11/18二）控制方法訓練1、微分先行控制設控制回路對象，分別采用常規(guī) PID和微分先行 PID控制后系統(tǒng)輸出的響應曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。常規(guī) PID ：微分先行 PID 控制：12/182、Smith預估控制設控制回路對象，設計 Smith預估控制器，分別采用常規(guī)PID和Smith預估控制后系統(tǒng)輸出的響應曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。常規(guī) PID ：13/18Smith預估控制3、大林算法控制設被控對象傳函，目標閉環(huán)傳遞函數(shù)，試設計大林控制器，14/18并在 Matlab

12、中進行驗證。三）控制系統(tǒng)的設計1.雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計30%,調(diào)節(jié)時間 ，并整定相應的控制參數(shù)；4）.完成系統(tǒng)的 MATLAB 仿真，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設計。5）.寫出系統(tǒng)的 PID算法控制程序等的軟件程序代碼 C語言或匯編語言）。以 THJ-2型過程控制實驗對象測得的實驗數(shù)據(jù)為：上水箱直徑為 25cm，高度為20cm,當電動閥輸出的開度為 50時，得水泵流量為 Q=4.3186L/min, 水箱自平衡時的液位高度為 10.894cm, 說明給定的頻率階躍信號適當，不會使系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性因素增大，更不會引起系統(tǒng)輸出出現(xiàn)超調(diào)量的情況，在開度為

13、50時下水箱的液位隨時間變化值如下表：T/mi012345678915/18nH/cm00.674.765.967.638.308.839.399.8310.05T/mi10111213141516171819nH/cm10.110.410.510.610.710.710.810.810.810.86003263999下水箱直徑為 35cm，高度為 20cm,當電動閥開度為 40時， 得水泵流量為Q=2.6064L/min, 水箱自平衡時的液位高度為 10.838cm, 同樣說明給定的頻率階躍信號適當，在開度為 40時時上水箱的液位隨時間變化值如下表：T/min00.371.372.373.3

14、74.375.376.377.37H/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/cm9.8310.1010.3610.5010.8410.8410.8410.8410.8416/182.基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計要求：完成雙閉環(huán)的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的微機控制設計，超調(diào)量30%，調(diào)

15、節(jié)時間 0.5s，穩(wěn)態(tài)無靜差。1）分析控制的結(jié)構(gòu)特點設計合理的控制系統(tǒng)的控制方案；2）選擇合適的檢測與執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計；3）建立系統(tǒng)的各控制參數(shù)的數(shù)學模型；4）分別完成轉(zhuǎn)速和電流控制系統(tǒng)的控制算法的選擇和參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)設計；5）完成系統(tǒng)的 MATLAB 仿真，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設計。設直流電機，電樞電阻，V-M 系統(tǒng)的主電路總電阻，電樞電路的電磁時間常數(shù)，機電時間常數(shù)，測速反饋系數(shù),系統(tǒng)的電流反饋系數(shù)，觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù) Ks=30，三相平均失控時間 Ts=0.00167s ，電流濾波時間常數(shù) Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù) Ton=0.01s。17/18三、實驗心得通過本次課程設計，對自動控制原理的知識有了更具