自动控制课程设计--基于MATLAB软件的自动控制系统仿真.doc

自动控制原理 课程设计说 明 书专业名称： 电气自动化技术 班 级： 111班 学 号： 20110211006 姓 名： 郑立君 指导教师： 姜贤林 日期： 2013.5.27-2013.6.7 自动控制原理 课程设计评阅书题目基于MATLAB软件的自动控制系统仿真学生姓名郑立君学号20110211006指导教师评语及成绩指导教师签名： 年 月 日答辩评语及成绩答辩教师签名： 年 月 日教研室意见总成绩： 教研室主任签名： 年 月 日摘 要本次课程设计是用MATLAB进行仿真实验, MATLAB是一种用于数值计算、可视化及编程的高级语言和交互式环境。使用 MATLAB，可以分 析数据，开发算法，创建模型和应用程序。MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的 用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档关键词： 仿真;模块;Simulink;响应MATLAB,目 录1 课题描述12 仿真过程2 2.1 控制系统建模22.2 线性系统时域分析32.3 线性系统根轨迹分析42.4 线性系统频域分析52.5 线性系统校正63 Simulink仿真7总结8参考文献91 课题描述MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口（API）五大部分构成。用此软件可以对信号和图像、通讯、控制系统设计、测试和测量等进行仿真，以解决抽象的问题。用MATLAB对控制系统建模、线性系统时域分析、线性系统根轨迹分析、线性系统频域分析、线性系统校正、Simulink进行仿真，在仿真过程中对自动控制系统的基本要求可以归结为三个字：稳、准、快。稳，既稳定性，是反映系统在在受到扰动后恢复平衡状态的能力，是对自动控系统的最基本的要求，不稳定的系统是不能使用的。准，既准确性，是指系统在平衡工作状态下其输出量与其期望值的距离，既被控量偏离其期望值的程度，反映了系统对其期望值的跟踪能力。快，既快速性，是指系统的瞬态过程既要平稳，又要快速。用Simulink进行校正的，系统设计要求以时域指标给出，所以本系统校正采用了根轨迹校正法。由于主导极点在原根轨迹的左侧，因此选用的是根轨迹超前校正设计的几何法。在使用MATLAB进行了校正之后，又使用Simulink进行了系统模型建立和仿真。通过EDA工具Tina Pro进行实际电路的搭建与运行，证明校正方法在实际系统中是可行的和有效的。2 设计过程2.1 控制系统建模设某SISO系统的传递函数为试建立系统的ZPK模型。解：用s因子和数学运算符建立TF模型。 s=zpk(s); H=5*(s+2)/(s*(s2+2*s+10)Zero/pople/gain: 5 (s+2)-s (s2 + 2s + 10)2.2 线性系统时域分析二阶系统的传递函数为当系统的输入信号是幅值为1，周期为8s的方波时，绘制系统的输出响应曲线。解：运行下面程序，可得到如图响应曲线。sys=tf(16,1,3,16);u,t=gensig(sqdahe,8,32,0.1);lsim(sys,u,t),grid on2.3 线性系统根轨迹分析负反馈系统的开环传递函数为控制系统的根轨迹图，并求使系统稳定的K值范围和使系统无超调的K值范围。解：sys=tf(1,1,4,5,0)rlocus(sys)x,y=ginput(3);p=x+i*yK=rlocfind(s,p)运行结果：K=1.8918 2.0000 19.98992.4 线性系统频域分析系统的开环传递函数为求系统的幅值欲度和相角裕度，并求其闭环阶跃响应。解：G=tf(3.5,1,2,3,2);G_close=feedback(G,1);Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(G)step(G_close),grid on运行结果：Gm =1.1433 Pm =7.1688 Wcg =1.7323 Wcp =1.65412.5 线性系统校正设被控对象的传递函数为设计要求： =10，=45，=14rad/s，试确定PD控制器的参数。解：用超前校正函数fa_lead，运行如下程序。t=0:0.01:2;w=logspace(-1,2);KK=5;Pm=45;wc=14;ng0=KK*400;dg0=1,30,200,0;g0=tf(ng0,dg0);ngc,dgc=fa_lead(ng0,dg0,Pm,wc,w);gc=tf(ngc,dgc)运行结果：Transfer function:0.2271 s + 1-0.03811 s + 1g0c=tf(g0*gc);b1=feedback(g0,1);b2=feedback(g0c,1);step(b1,r-,b2,b,t);grid onfigure,bode(g0,r-,g0c,b,w);grid ongm,pm,wcg,wcp=margin(g0c)运行结果：gm =3.1914，pm = 45.0001，wcg =27.7398，wcp =14.00003 Simulink仿真 已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数为G(s)=绘制单位阶跃响应的Simulink的结构图 总 结此次课程设计给了我一次实际操作锻炼进行仿真练习的机会，离开了课堂严谨的环境，我们感受到了独立思考的气氛。只凭着脑子的思考、捉摸是不能完成实际工作的，只有在拥有科学知识体系的同时，熟练掌握实际能力和不断积累，才能把知识灵活、有效的运用到实际工作中。这对于我们仿真能力的提高有很大的帮助。在完成课程设计的这段时间，我们收获了很多很多东西，在仿真过程中接受锻炼，提高自己编程的能力，积累相关经验。作为一名大学生，时间和理论相结合显得尤为重要，而仿真实训直接提供了这个桥梁，他让我们吧从书本上学到的东西加以运用，同时也让我们学到了从书本上学不到的东西。身为大学生的我们经历了十几年的理论学习，不止一次的被告知理论与时间是有差距的，但我们一直很少有机会来验证这句话的实际差距到底有多少。这次课程设计的仿真，做了很多次都不成功，开始着手与对编程的学习，遇到不会的就去问老师和同学，在别人的帮助和提示下，我完成了课题的编程并将仿真图仿真出来了，经过这么多的学习，慢慢的完成了这次实训的课题。参考文献1 胡寿松，自动控制原