自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計

1、自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計李斌學號：27 姓名: 指導老師：胡開明學院：機械與電子工程學院2013年11月、設計要二、設計報告的要三、題目及要一）自動控制仿真訓目錄二）控制方法訓19三）控制系統(tǒng)的設.23 四、心得體27五、參考文28自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計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(guān)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

2、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：設計報告的要求:1. 理論分析與設計2. 題目的仿真調(diào)試，包括源程序和仿真圖形。3. 設計中的心得體會及建議。:題目及要求G(x)1 23s 1，G2(X)3 s2 s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；MATLAB弋碼:num=1den=3 1G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)num

3、=2den=3 1 0G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)仿真結(jié)果:num =2den =310Transfer function:3 s2 + sE = Empty matrix: 0-by-1B= 1 num = 1 den =3 1Transfer function:E =Empty matrix: 0-by-1B =1D =0 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。MATLAB弋碼: num1=1 den1=3 1G1=tf(num1,den1) num2=2 den2=3 1 0G2=tf(num2,de

4、n2)G3=G1*G2G4=G1+G2 仿真結(jié)果: num1 =1 den1 =3 1Transfer function:num2 =2den2 = 3 1 0Transfer function:23 s2 + sTransfer function:9 sT + 6 s2 + sTransfer function:3 s2 + 7 s + 29 s3 + 6 s2 + s322.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為G(s) s4二3蔦5：4爲24 24，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MATLAB弋碼: num=1 7 24 24 den=1 10 35 50 24G=tf(num,den) p=eig(G) p1=p o

5、le(G) r=roots(den) 仿真結(jié)果:num = 172424den = 110355024Transfer function:sT + 7 s2 + 24 s + 24 sM + 10 s3 + 35 s2 + 50 s + 24p1 =3.單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為kG(s) s(s 2.73)(S2 2s 2),繪制根軌跡圖，并求出與實軸的分離點、與虛軸的交點及對 應的增益。MATLAB弋碼: num=1den=conv(1 0,1 2 2) rlocus(num,den) axis(-8 8 -8 8) figure (2) r=rlocus(num,den);plot(

6、r,'-') axis(-8 8 -8 8) gtext( 'x') gtext( 'x') gtext( 'x') 仿真結(jié)果: num =1den =4.已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)5(10s 1)s(s2 0.2s 1)(0.5s 1)，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。MATLAB弋碼: s=tf( 's')G=5*(10*s+1)/(s*(sA2+*s+1)*s+1) figure(1)bode(G) grid figure (2) nyquist(G) gri

7、d axis(-2 2 -5 5) 仿真結(jié)果:Transfer functionsTransfer function:50 s + 5s4 + s3 + s2 + s5.考慮如圖所示的反饋控制系統(tǒng)的模型，各個模塊為G(s) -24，Gc(s) 口，H(s) ，用 MATLABg句S3 2s2 3s 4s 30.01s 1分別得出開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線。MATLAB弋碼: num=4 den=1 2 3 4G=tf(num,den)G0=feedback(G,1) step(G0) y,t=step(G0) plot(t,y) num=1 -3 den=1 3G=tf(num,den)G0

8、=feedback(G,1) step(G0) y,t=step(G0) plot(t,y) num=1 den= 1G=tf(num,den)G0=feedback(G,1) step(G0) y,t=step(G0) plot(t,y) num1=4den1=1 2 3 4G1=tf(num1,den1) num2=1 -3 den2=1 3G2=tf(num2,den2) num3=1 den3= 1G3=tf(num3,den3)G=G1*G2G0=feedback(G,G3) step(G0) y,t=step(G0) plot(t,y) figure(2) step(G) y,t=

9、step(G) plot(t,y)仿真結(jié)果： num =4 den =1 2 3 4Transfer function: sT + 2 s2 + 3 s + 4Transfer function: s3 + 2 s2 + 3 s + 8 y =+024 *0num =1 -3den =1Transfer function:Transfer function:y = +004 *num =1 den =Transfer function:Transfer function: y =0 t=0 num1 =4den1 =1234Transfer function: sT + 2 s2 + 3 s

10、+ 4 num2 =1 -3den2 =13Transfer function:num3 =1 den3 =Transfer function:Transfer function:4 s - 12sM + 5 sT + 9 s2 + 13 s + 12Transfer function:s2 + s - 12s5 + s4 + s3 + s2 + s y = +004 * t=0二）控制方法訓練微分先行控制C 4s設控制回路對象G(s) 4L_，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。Simulink仿真如下:Smith預估控制設控制

11、回路對象G(s)2e4s4s 1，設計Smith預估控制器，分別米用常規(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。Simulink仿真如下:大林算法控制設被控對象傳函G(s)2s斜，目標閉環(huán)傳遞函數(shù)(S)2Se2s 1Simulink 仿真如下：三) 控制系統(tǒng)的設計1. 雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計要求：完成雙容水箱控制系統(tǒng)的性能指標：超調(diào)量<30%,調(diào)節(jié)時間 <30s, 擾動作用下系統(tǒng)的性能較單閉環(huán)系統(tǒng)有較大的 改進。1) . 分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點設計合理的控制系統(tǒng)設計方 案；2) . 建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，完成系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖；3

12、) . 完成控制系統(tǒng)的主副控制器的控制算法策略的選擇 (PID) ，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=min, 水箱自平衡時的液位高度為 , 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 50時下水 箱的液位隨時間變

13、化值如下表：T/m in0123456789H/cm0T/m in10111213141516171819H/cm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=min,水箱自平衡時的液位高度為，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/m in0H/cm0T/m inH/cmT/m inH/cmSimulink仿真如下:2.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)節(jié)時間 <，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

14、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 Pnom 10kW， Unom 220V， Inom 53.5A ，nnom 1500r/min ，電樞電阻 Ra 0.31 ， V-M 系統(tǒng)的主電路總電阻R 0.4 ，電樞電路的電磁時間常數(shù)Ta0.0128s，機電時間常數(shù)Tm 0.042s ，測速反饋系數(shù) kt 0.0067v / rpm , 系統(tǒng)的電流

15、反饋系數(shù)ki 0.72v / A ，觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù) Ks=30,三相平均失控時間Ts=,電流濾波時間常數(shù) Toi= ，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)Ton=。Simulink 仿真如下：四、心得體會通過為期三天的課程設計，我有如下幾點感想：首先，通過這次課程設計讓我熟悉并掌握了MATLAB件的使用方法，而且通過頻繁地使用MATLAB對傳遞函數(shù)、零極點、狀態(tài)空間表達方法和串聯(lián)、并聯(lián)、反饋后得到的系統(tǒng)模型進行仿真，通過MATLA瞪制Bode圖、Nyquist圖， 對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行判定等， 復習了從MATLAB與控制系統(tǒng)仿 真實踐中學到的知識，并加深了對其的理解與運用。其次，通過對微分先行控制、 smith 預估控制、大林算法控制進行調(diào)試仿真，明白了它們之間的區(qū)別, 加深了對微分先行控制、 smith 預估控制、大林算法