控制系统仿真设计

课程设计用纸 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 课程设计题目控制系统仿真设计 功能 技术指标 使得电动车控制系统的系统在校正后 阶跃响应的超调量小于 5 调节时间小于 4s 工作量二周 工作计划 第一周学习如何使用 MATLAB 软件与控制 系统的仿真等 第二周选择课题然后进行分组 查询资料 最后借助软件对实验题目进行编程 矫正和分析 使实验达到题目要求的最优化效 果 指导教师评语 课程设计用纸 目录 第 1 章 设计题目及要求 1 1 1 设计题目 1 1 2 要求 1 第 2 章校正前系统性能 2 2 1 时域性能 2 2 2 频域性能 5 第 3 章 校正环节设计 6 3 1 校正方法选择 6 3 2 控制参数整定 6 第 4 章 校正后系统性能 7 4 1 时域性能 7 4 2 频域性能 9 结论 10 心得体会 11 课程设计用纸 1 第 1 章 设计题目及要求 1 1设计题目 若系统的数学模型及控制环节的传递函数为 G s 40 s s 3 s 6 设计校正装置 电动车控制系统 某电动车控制系统如图 1 2 要求 系统在阶跃响应的超调量小于 5 调节时间小于 4s 课程设计用纸 2 第 2 章校正前系统性能 2 1 时域性能 1 绘制未加入校正装置的系统开环阶跃响应曲线 根据系 统的开环传递函数 程序如下 function Tp Mp Tr Ts stepa G Y t step G cs length t yss Y cs ctp tp max Y Tp t tp Mp 100 ctp yss yss k cs 1 n 0 while n 0 k k 1 if Y k 1 02 yss n 1 end end t2 t k 课程设计用纸 3 if t1 t2 Ts t1 else Ts t2 End clear all clear all num 2 2 den conv 1 0 conv 0 3 1 0 17 1 sys1 tf num den sys2 feedback sys1 1 figure 1 margin sys1 figure 2 step sys2 Tp Mp Tr Ts stepa sys2 Mp 25 8043 Tp 1 5355 Mp 25 8043 Tr 1 0631 课程设计用纸 4 Ts 4 6066 0123456 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 Step Response Time sec Amplitude 系统的阶跃响应曲线 图 2 1 课程设计用纸 5 2 2 频域性能 由 2 1 节的程序可以得到系统的频域曲线图 2 2 如下所示 150 100 50 0 50 Magnitude dB 10 1 10 0 10 1 10 2 10 3 270 225 180 135 90 Phase deg Bode Diagram Gm 12 4 dB at 4 43 rad sec Pm 43 8 deg at 1 84 rad sec Frequency rad sec 控制系统的频域响应曲线 图 2 2 MATLAB 运行结果 开环传递函数为 G s 2 2 s 0 3s 1 0 17s 1 Mp 25 8043 Tp 1 5355 Mp 25 8043 Tr 1 0631 Ts 4 6066 系统是稳定的 但是响应时间和超调量都较之题目要求大 课程设计用纸 6 第 3 章 校正环节设计 3 1 校正方法选择 由于题目要求系统阶跃响应的超调量小于 5 超调时间小 于 4s 系统虽然稳定 但是响应时间较快和超调量较大 由于 放大系数 K 对超调量有影响 为此需要改变放大系数 K 的值来满 足题目要求的预期值 根据系统的时域性能和频域性能可知适合 采用比例 微分控制器 PD 控制器 从比例环节和微分环节进 行校正 从物理的角度来分析 他可以降低系统的最大超调量 改变动态性能 从频率特性的角度来说 它可以增加系统的相角 裕量 是系统的震荡减弱 校正环节的两个转折频率设置在远离 校正后系统剪切频率的低频段 利用之后网路的高频幅值衰减特 性 使校正后系统中频段的幅频将衰减 20lgb dB 而其相频可认 为不衰减 因此校正后系统的剪切频率将减小 在新的剪切频率 出获得较大的相角裕量 增加了稳定性和高频抗干扰的能力 3 2 控制参数整定 由 3 1 节的分析可得要调节到预期要求 可通过调节比例系 数 K 和微分系数 yss 来改变系统的性能 利用 MATLAB 软件对 选择合理参数进行逐次修改程序观察校验数据和结果 最终选择 了比例系数 K 3 和微分控制系数为 1 02 这样满足了系统的目标 要求参数的选定 课程设计用纸 7 第 4 章 校正后系统性能 4 1 时域性能 通过校正方法的选择和控制参数的整定 校正后的程序如下 所示 clear all num 3 den conv 1 0 0 17 1 sys1 tf num den sys2 feedback sys1 1 figure 1 margin sys1 figure 2 step sys2 Tp Mp Tr Ts stepa sys2 利用 MATLAB 校正后的运行结果为 Mp 4 7875 Tp 1 0513 Mp 4 7875 Tr 0 7885 课程设计用纸 8 Ts 1 4455 满足了 Mp 4 7875 5 Ts 1 4455 4s 其阶跃响应曲线和频域响应 曲线为下图所示 00 20 40 60 811 21 41 61 82 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 Step Response Time sec Amplitude 校正后系统的阶跃响应曲线 4 1 课程设计用纸 9 4 2 频域性能 校正后系统的频域曲线如图 4 2 所示 满足题目要求 60 40 20 0 20 40 Magnitude dB 10 1 10 0 10 1 10 2 180 135 90 Phase deg Bode Diagram Gm Inf dB at Inf rad sec Pm 65 2 deg at 2 72 rad sec Frequency rad sec 校正后系统的频域响应曲线 4 2 课程设计用纸 10 结论 我组做的电动车控制系统的超调矫正调节模型 利用 MATLAB 软件画出系统阶跃响应的时域图和 bode 图 通过实验验证我增加了 PD 控制环节 并得到了以下结论 如果系统稳定且仅需改变系统的 超调量和超调时间 根据三种调节类型和调节特点 需要增加 PD 控 制调节模型来满足系统的稳态需求 通过实验在软件上选择合理的参 数进行逐次校验 观察 Mp Tp Tr 和 Ts 以及校正的阶跃响应曲线 和频域响应曲线 直到满足题目要求为止 在满足题目要求的基础上 进行校正 纠正的过程和步骤必须根据实际需求 不可死板一成不变 选定参数合理的利用 MATLAB 软件 M file 文件进行调试程序 最 后确定 Mp 和 Ts 达到最优控制 确定了最后的系统传递函数 在一 定的范围内满足了性能指标的范围 课程设计用纸 11 心得体会 通过这次对控制系统的滞后校正的设计与分析 让我对 PD 校正环节有了更清晰的认识 加深了对课本的理解 对期末考试 也起到了积极的复习作用 而且让我更进一步熟悉了相关 MALAB 软件的基本编程方法和使用方法 在这次的课程设计的过程中 从整体思路的构建到具体每一 步的实现 过程并不是一帆风顺的 通过复习课本知识和查阅相 关资料确定了整体思路 然后通过演算计算出 K 值确定校正网络 参数 最后运用 MATLAB 软件编程验证 作图 在 word 编辑和 运用 MATLAB 软件使用时遇到了一些问题 通过网络查询和询 问同学也都得到了解决 提高了对课设软件的应用能力 本次课程设计的核心是 MATLAB 软件的使用 通过软件编程 我对 MATLAB 的语言和应用又更近一步的了解 特别熟悉了一 些对自动控制的使用命令 如跟轨迹绘制函数 rlocus 时域图 step 伯德图函数绘制 bode 等 利用 MATLAB 对控制系统进 行频域分析 大大简化