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)仿真課程設計學 號：1030620227姓名：李斌指導老師：胡開明學 院：機械與電子工程學院2013 年 11 月目錄一、設計要求1二、設計報告的要求1三、題目及要求1（一）自動控制仿真訓練1（二）控制方法訓練19（三）控制系統(tǒng)的設計23四、心得體會27五、參考文獻28自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計一：設計要求：1、完成給定題目中，要求完成題目的仿真調試，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

2、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.題目的仿真調試，包括源程序和仿真圖形。3.設計中的心得體會及建議。三：題目及要求一）自動控制仿真訓練1.已知兩個傳遞函數(shù)分別為：G11,G2 ( x)( x)3s123s2s1在MATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示；MATLAB代碼：num=1den=3 1G=tf(num,den)

3、E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)num=2den=3 1 0G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)仿真結果：num =2den =310Transfer function:2-3 s2 + s2E = Empty matrix: 0-by-1F = 0.6667A =-0.333301.00000B=10C = 00.6667D = 0num = 1den =31Transfer function:1-3 s + 1E =Empty matrix: 0-by-1F =0.3333 A = -0.3333 B

4、 =1C =0.3333D =0在MATLAB中分別求出通過反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系3統(tǒng)模型。MATLAB代碼：num1=1den1=3 1G1=tf(num1,den1)num2=2den2=3 1 0G2=tf(num2,den2)G3=G1*G2G4=G1+G2仿真結果：num1 =1den1 =31Transfer function:1-3 s + 1num2 =2den2 = 310Transfer function:2-43 s2 + sTransfer function:2-9 s3 + 6 s2 + sTransfer function:3 s2 + 7 s + 2-9 s3

5、 + 6 s2 + s2.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為s4s37s224s24，判斷系10s335s250s 24G(s)統(tǒng)的穩(wěn)定性。MATLAB代碼：num=1 7 24 24den=1 10 35 50 24G=tf(num,den)p=eig(G)p1=pole(G)r=roots(den)仿真結果：num = 172424den = 1103550245Transfer function:s3 + 7 s2 + 24 s + 24-s4 + 10 s3 + 35 s2 + 50 s + 24p =-4.0000 -3.0000 -2.0000-1.0000p1=-4.0000-3.0000-2

6、.0000-1.0000r =-4.0000 -3.0000-2.0000-1.0000k3.單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)2s 2) ，s( s 2.73)(s2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代碼：num=16den=conv(1 2.73 0,1 2 2)rlocus(num,den)axis(-8 8 -8 8)figure(2)r=rlocus(num,den);plot(r,'-')axis(-8 8 -8 8)gtext('x')gtext('x')gtext('x'

7、)仿真結果：num =1den =1.00004.73007.46005.460007G (s)5(10 s 1)4.已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為0.2s 1)(0.5s 1) ，繪制系s( s2統(tǒng)的 Bode 圖和 Nyquist, 并能夠求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕8度。MATLAB代碼：s=tf('s')G=5*(10*s+1)/(s*(s2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)figure(1)bode(G)gridfigure(2)nyquist(G)gridaxis(-2 2 -5 5)仿真結果：Transfer function:sTransfer function:5

8、0 s + 5-0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + s95考慮如圖所示的反饋控制系統(tǒng)的模型，各個模塊為G (s)43s 4，G c ( s)s3 ， H (s)1，用 MATLABs32s2s30.01s 1語句分別得出開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線。10MATLAB代碼：num=4den=1 2 3 4G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1 -3den=1 3G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1den

9、=0.01 1G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)11y,t=step(G0)plot(t,y)num1=4den1=1 2 3 4G1=tf(num1,den1)num2=1 -3den2=1 3G2=tf(num2,den2)num3=1den3=0.01 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=step(G)plot(t,y)12num =4den =1234Transfer function:4-s3 + 2

10、s2 + 3 s + 4Transfer function:4-s3 + 2 s2 + 3 s + 8y =1.0e+024 *0-0.83942.3467-3.84664.9206-5.09013.9226t =0131.42932.85864.28795.71727.14658.5758.464.5216465.9509467.3802468.809414num =1-3den =1Transfer function:s - 3-s + 3Transfer function:s - 3-2 sy = 1.0e+004 *15num =1den =0.01001.0000Transfer f

11、unction:1-0.01 s + 1Transfer function:1-0.01 s + 2y =0t=0num1 =416den1 =1234Transfer function:4-s3 + 2 s2 + 3 s + 4num2 =1-3den2 =13Transfer function:s - 3-s + 3num3 =1den3 =0.01001.0000Transfer function:1-0.01 s + 1Transfer function:4 s - 12-s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12Transfer function:170.04 s2 +

12、 3.88 s - 12-0.01 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 sy = 1.0e+004 *t=018二）控制方法訓練微分先行控制設控制回路對象2e4sPID 和微分先行G (s)，分別采用常規(guī)4s1PID 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：19Smith 預估控制設控制回路對象G (s)2e 4s ，設計 Smith 預估控制器，分別采4s1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。20Simulink 仿真如下：21大林

13、算法控制設被控對象傳函e 2 s，目標閉環(huán)傳遞函數(shù)（ s）e2 sG (s)12s，4s1試設計大林控制器，并在Matlab 中進行驗證。Simulink 仿真如下：22三）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：超調量<30%, 調節(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)的結構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)的控制結構框圖；233） . 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

14、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)超調量的情況，在開度為 50時下水箱的液位隨時間變化值如下表：T/m0123456789inH/c00.64.75.97.68.38.89.39.810.m7

15、663039305T/m10111213141516171819inH/c10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.m16405063727683898989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/m00.31.32.33.34.35.36.37.3in77777777H/c01.12.13.13.85.15.35.86.5m76637030T/m8.39.310.11.12.13

16、.14.15.16.in773737373737373724H/c7.07.57.88.38.59.09.19.59.7m343603706T/m17.18.19.20.21.22.23.24.25.in373737373737373737H/c9.810.10.10.10.10.10.10.10.m31036508484848484Simulink 仿真如下：2.基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計要求：完成雙閉環(huán)的直流電機調速系統(tǒng)的微機控制設計，超調量 <30% ，調節(jié)時間 <0.5s，穩(wěn)態(tài)無靜差。251）分析控制的結構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

17、執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結構設計；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Pnom 10 kW ， U nom220V ， I nom 53.5A ， nnom1500r / min ，電樞電阻 R a0.31，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)Ta 0.0128s ，機電時間常數(shù)T m 0.042s ，測速反饋系數(shù) kt 0.0067v / rpm ,系統(tǒng)的電流反饋系數(shù)ki0.

18、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=0.00167s，電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉速環(huán)濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。Simulink 仿真如下：26四、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軟件的使用方法，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 MATLAB 繪制 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