交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄 1 自動(dòng)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)11.1系統(tǒng)建模題目111.1.1基本構(gòu)成及機(jī)理分析21.1.2反饋控制結(jié)構(gòu)模型及工作原理22 自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析72.1系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目172.1.1實(shí)驗(yàn)步驟72.1.2實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)72.1.2結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析72.2系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目282.3系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目38附錄A 程序源代碼40附錄B 42參考文獻(xiàn)441 自動(dòng)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)11 系統(tǒng)建模題目1查閱控制系統(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)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。我們選擇ATO系統(tǒng)進(jìn)行研究。AT

2、O系統(tǒng)即列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)(ATO-Automatic TrainOperation)。是列車控制系統(tǒng)(automatic train control，ATC)重要的子系統(tǒng)。ATO系統(tǒng)能代替司機(jī)駕駛列車，使列車平穩(wěn)地加速到運(yùn)行速度，并根據(jù)接收到的ATP限制速度命令和ATO到站停車速度曲線自動(dòng)調(diào)整列車速度，實(shí)現(xiàn)列車牽引加速、勻速惰行、減速制動(dòng)控制和精確停車等基本駕駛功能。ATO系統(tǒng)的功能分為基本控制功能和服務(wù)功能。基本控制功能包括：自動(dòng)駕駛、自動(dòng)折返、自動(dòng)控制車門、屏蔽門開(kāi)閉。這三個(gè)基本控制功能相互之間獨(dú)立地運(yùn)行。服務(wù)及其他功能包括：故障自診斷、運(yùn)行信息記錄、列車位置、允許速度、巡航/惰行功能、

3、PTI(列車識(shí)別系統(tǒng))支持功能。 在這里我們主要分析ATO中自動(dòng)駕駛（即自動(dòng)調(diào)整列車速度）的功能，研究其自動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)模型。 1.1.1 基本構(gòu)成及機(jī)理分析ATO系統(tǒng)的速度調(diào)整系統(tǒng)構(gòu)成：由運(yùn)行等級(jí)模式曲線計(jì)算模塊、PID速度控制器和受控對(duì)象（列車運(yùn)行模型）共同組成。運(yùn)行等級(jí)模式曲線的計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前區(qū)間情況離線計(jì)算運(yùn)行等級(jí)模式曲線，PID速度控制器根據(jù)選定的運(yùn)行等級(jí)，以該等級(jí)的運(yùn)行等級(jí)模式的目標(biāo)速度一距離曲線為目標(biāo)曲線，輸出速度信號(hào)施加給受控對(duì)象（列車運(yùn)行模型），控制列車快速平穩(wěn)的跟隨給定的目標(biāo)速度曲線。其速度控制系統(tǒng)的框圖如圖所示。運(yùn)行等級(jí)模式曲線計(jì)算模塊PID速度控制器受控對(duì)象（列車運(yùn)行模

4、型）V -+ PID速度控制器V1.1.2 反饋控制結(jié)構(gòu)模型及工作原理受控對(duì)象+-上圖為ATO控制系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)模型。PID速度控制器即PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）控制器，由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，傳遞函數(shù)為：Kp 、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)常量通過(guò)系統(tǒng)整定得到。受控對(duì)象即為列車模型，這里我們?nèi)×熊嚹Ｐ偷膫鬟f函數(shù)為：所以整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：通過(guò)相關(guān)參數(shù)整定方法，我們可以得知：工作原理：在求和單元，來(lái)自運(yùn)行等級(jí)模式曲線計(jì)算模塊的目標(biāo)速度信號(hào)和實(shí)際速度信號(hào)相加，共同輸入PID速度控制器，這個(gè)

5、控制器把收集到的實(shí)際速度信號(hào)和一個(gè)目標(biāo)速度信號(hào)進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的信號(hào)達(dá)到或者保持在目標(biāo)速度。接著新的輸入信號(hào)傳遞到列車，通過(guò)相關(guān)設(shè)備調(diào)整列車實(shí)際運(yùn)行速度，最后設(shè)備觀測(cè)的實(shí)際速度信號(hào)又反饋回求和單元。整個(gè)控制過(guò)程即反饋控制原理：由相關(guān)設(shè)備獲得被控對(duì)象（列車）的實(shí)際速度信號(hào)，通過(guò)PID控制器比較計(jì)算，輸出調(diào)整信號(hào)又作用于被控對(duì)象調(diào)整實(shí)際運(yùn)行速度。2 自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析21 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。被控對(duì)象列車或機(jī)動(dòng)車速度K11/s1/(s+2)(s+8)K2=5_實(shí)際運(yùn)行

6、位置變量Y(S)位置目標(biāo)變量R(S)列車或機(jī)動(dòng)車運(yùn)行（位置）自動(dòng)控制系統(tǒng) （1）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)定裕度。 （2）繪制關(guān)于參數(shù)K1的閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖，仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 第一步：根據(jù)題目中的框圖圖求出其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。 第二步：由求出來(lái)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)運(yùn)用Matlab軟件畫出Bode圖。第三步：然后用Matlab對(duì)bode圖求解穩(wěn)定裕度。（2） 第一步：由題求出其閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)第二步：運(yùn)用函數(shù)語(yǔ)句rlocus(sys)由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)畫出其閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖。第三步：分析根軌跡圖，討論系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.1

7、.2 實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)由框圖計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：被控對(duì)象傳遞函數(shù)為：F(s)=1/(s2+10*s+21)k1=200時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=k1* F(s)*1/s=200/(s*(s2+10*s+21)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：G= k1*1/(s*(s2+10*s+21)2.1.3 結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析(1)利用matlab繪制開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖：上圖為幅頻特性曲線圖，下圖為相頻特性曲線圖同時(shí)利用matlab仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度：由圖形可知, 幅值裕度Gm為0.424dB，相角裕度Pm為1.29deg工程上推薦幅值裕度大于6dB，相角裕度30-60deg.所以該系統(tǒng)穩(wěn)定裕度較小，系

8、統(tǒng)已經(jīng)瀕臨不穩(wěn)定，系統(tǒng)的靈敏性和快速性較強(qiáng)，同時(shí)系統(tǒng)的振蕩也較激烈。(2) 利用開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)1/(s*(s2+10*s+21)，用rlocus(sys)語(yǔ)句繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡圖，在根軌跡圖上任意選擇軌跡上某點(diǎn)就可以得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)K1=Gain.由根軌跡圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在虛軸上有3個(gè)極點(diǎn)，粗略估計(jì)分別當(dāng)K1=209,0,209時(shí)取得。說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍在K1取0209左右 ，當(dāng)K1大于209后系統(tǒng)不穩(wěn)定。22 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2司機(jī)駕駛汽車的模型如下圖所示，其中，K=5.3。（a）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；（b）當(dāng)T=0.1s時(shí)，估算系統(tǒng)的相角裕度；（c）為使

9、系統(tǒng)臨界穩(wěn)定（即相角裕度為00），計(jì)算所需的反應(yīng)時(shí)間。C(s)橫向偏移R(s)預(yù)期路線方向盤 汽車 預(yù)測(cè)器 2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟（a）根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；用matlab繪制開(kāi)環(huán)bode圖求閉環(huán)頻率特性、增益裕度、相角裕度。（b）根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；并且用matlab繪制出相應(yīng)的Bode圖求出相角裕度。（c）利用matlab求出系統(tǒng)相角裕度的具體數(shù)值，令反應(yīng)時(shí)間為一系列連續(xù)取值，編寫循環(huán)程序，找到相角裕度為零時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。2.2.2 實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)T=0時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3)T=0時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=5.3/(

10、s3+5.3*s2+5.3*0.8*s+5.3*0.32)T=0.1時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G=exp(-0.1*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3開(kāi)環(huán)G=exp(-t*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s32.2.3 結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析（a）系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度由圖可知幅值裕度Gm為-22.4dB，相角裕度Pm為81.3deg系統(tǒng)不穩(wěn)定。（b）T=0.1時(shí)估算系統(tǒng)相角裕度由上圖可知，當(dāng)T=0.1時(shí)估算系統(tǒng)相角裕度Pm=51deg（c）為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定（即相角裕度為00），計(jì)算所需的反應(yīng)時(shí)間。通過(guò)前期工作循環(huán)迭代工作，大概確定滿足要求的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間在0.

11、1到0.5之間，將T值范圍確定在0.1-0.5步長(zhǎng)取0.0001，帶入程序求最優(yōu)值。由循環(huán)程序求出臨界反應(yīng)時(shí)間為T=0.2677此時(shí)系統(tǒng)Pm約等于0，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定。23 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。下圖給出了一個(gè)汽車駕駛控制系統(tǒng)的例子，其中，控制桿負(fù)責(zé)操縱車輪。假定司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間T=0.2s。（a）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； （b）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；（c）估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。R(s)Y(s)行駛方向人的反應(yīng)時(shí)間 車和前輪 控制桿2.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟（a）使用循環(huán)求解法。前期

12、試湊出K值的大概范圍，然后在此范圍內(nèi)連續(xù)取一系列的K值，找出符合條件的最優(yōu)K值。求出K的取值范圍。 （b）取K=2，求出此時(shí)系統(tǒng)的Mp與Pm分別利用兩種公式求出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，比較差異，分析誤差原因。（c）利用系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，求出系統(tǒng)帶寬。控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)包括帶寬和諧振峰值，帶寬指閉環(huán)系統(tǒng)的bode圖中幅頻特性曲線下降到3分貝所對(duì)應(yīng)的頻率，諧振峰值指幅頻特性曲線圖中最大幅頻值。bandwidth(sys)可以直接求出帶寬2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=k*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+k*exp(-0.2*s)系統(tǒng)t=2時(shí)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=2*e

13、xp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s)系統(tǒng)t=2時(shí)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s2+s)2.3.3 結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析（a）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；由循環(huán)程序得最優(yōu)K值為2.4780，此時(shí)諧振峰值為2所以K的取值范圍為（0，2.4780）（b）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；由程序求出此時(shí)系統(tǒng)Mp=0.4837dB，Pm = 3.0576deg阻尼系數(shù)由諧振峰值求得阻尼系數(shù)為：=由相角裕度求得阻尼系數(shù)為：=誤差原因：（c）估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。設(shè)K=2。此時(shí)閉

14、環(huán)系統(tǒng)帶寬用bandwidth(sys)語(yǔ)句求出。同時(shí)繪制bode圖，由圖形求帶寬，驗(yàn)證結(jié)果。由函數(shù)語(yǔ)句求出系統(tǒng)帶寬為（0，4.2744）rad/s由閉環(huán)系統(tǒng)bode圖可知，幅值-3dB對(duì)應(yīng)的頻率為帶寬頻率4.27rad/s與函數(shù)求出的帶寬值符合附錄A 程序源代碼系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目1程序源代碼：1.Bode圖繪制代碼:>> s=tf('s')>> G=200/(s*(s2+10*s+21)>> bode(G)>> grid2.Bode圖穩(wěn)定裕度代碼:>> s=tf('s')>> G=200/(

15、s*(s2+10*s+21)margin(G)3.根軌跡圖源代碼:>> s=tf('s')G=1/(s*(s2+10*s+21)rlocus(G)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2程序源代碼：1. T=0求閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度：>> s=tf('s');>> G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3);>> margin(G);2. T=0.1求相角裕度：>> s=tf('s');>> G=exp(-0.1*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3;>

16、 > margin(G);3. 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，計(jì)算所需反應(yīng)時(shí)間：clc;clear;t=0.1:0.0001:0.5; %t的取值范圍s=tf('s');for i=1:4000G=exp(-t(i)*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3 %傳遞函數(shù)Gm,Pm,Wcg,Wcp = margin(G);if 0<Pm<0.0001 %相角裕度辨別 breakendT=t(i); %最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間endmargin(G); %畫出bode圖系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目3程序源代碼：1. 確定增益K的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰Mp不大于2dB：clearclck=2:

17、0.0001:3; %k的取值范圍s=tf('s');for i=1:10000 G=k(i)*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+k(i)*exp(-0.2*s); %系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) m,p,w,=bode(G); mr=max(m); lwr=20*log10(mr); %將諧振峰值換算單位 if lwr>=2; %諧振峰判斷條件 breakendK=k(i); %最優(yōu)K值endbode(G) %畫出bode圖2. 求K=2時(shí) 閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值>> s=tf('s');>> G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s);>>