交通运输自动控制原理实验报告

交通运输自动控制原理课程设计报告运输1203班 刘君君运输1202班 迟浩楠1. 课程设计内容：本课程设计包括以下两项内容：1.1自动控制系统建模设计1.2自动控制系统仿真实验分析 2. 自动控制系统建模设计2.1 设计目的：运用交通运输自动控制原理课程所学的反馈控制原理，建立交通控制系统的模型。2.2 设计内容：题目：查阅交通控制系统的相关专业资料，运用自动控制系统的基本构成及反馈控制原理对交通控制系统进行机理分析，建立其反馈控制结构模型，阐明系统的工作原理。 （1）所选自动控制系统：铁路列车调度指挥系统（TDCS） （2）TDCS系统基本情况介绍TDCS（Train Operation Dispatching Command System）是覆盖全路的调度指挥管理系统，能及时、准确地为全路各级调度指挥管理人员提供现代化的调度指挥管理手段和平台。 TSCS系统是我国铁路调度指挥现代化进程中的重要环节，它采用现代信息技术改变传统落后的行车调度方式，以通信、信号、计算机网络、数据传输、多媒体等多学科为寄出的提要分散控制、集中管理的现代化综合性的运输调度指挥系统。 TDCS系统是覆盖全局主要干线的行车调度指挥管理信息系统，路局行车调度台可以实现对行车进行实时、集中、透明的控制，可以采用自动化手段控制调整运输方案，通过计算机网络下达运输计划和调度命令，一改过去车站向调度员人工报点，调度员向车站用电话下达计划和调度命令，车站值班员手抄再复颂确认的落后方式，同时也大大减轻了车站值班员和调度员的工作。（1） 行车阶段简要分析建模：列车列车控速器中央调度站列车现有速度、方向 + + 列车安全速度、方向 - 卫星、雷达等速度方向检测器 （4）机理分析: 采用卫星、雷达等速度方向检测器对列车现有的速度、方向等进行实时监测，记录并输入到路局的计算机中心，将该数据与列车安全的行驶速度、方向进行对比，若该数据与列车安全的行驶速度、方向有出入，则通过中央调度站及时调整运输方案，再通过列车控制器采取相应的措施，对列车安全速度、方向进行控制调整，起到控制列车运行的作用。3.自动控制系统仿真实验分析3.1系统仿真实验题目1使用Matlab软件，对下图所示交通控制系统的特性进行仿真实验分析。列车或机动车运行（位置）自动控制系统1/s1/(s+1)(s+8)K1速度 实际运行位置变量Y(S)K2=5 - 绘制K1=200时的开环对数频率特性图（Bode图），仿真分析闭环系统稳定程度。绘制关于参数K1的闭环系统的根轨迹图，仿真分析闭环系统的稳定性。解答： 第一步，打开matlab输入simulink回车，出现如图所示界面在file下拉菜单中新建模型工作区间，保存名为ycfz.mdl文件。 第二步，在simulink窗口选择原件并连接起来，如图所示：为使其能与matlab工作空间相联系，这里采用的是In与out，而不采用阶跃输入输出连接示波器观察现象。第三步，在matlab工作区间新建程序空间编写程序如下：a,b,c,d=linmod(ycfz);sys=ss(a,b,c,d); %控制系统状态空间模型sysa=tf(sys); %控制系统闭环传递函数sysb=sysa/(1-sysa);y=minreal(sysb); %控制系统开环传递函数%margin(y);%grid;%nichols(y); %grid;rlocus(y); %对传递函数的各种性能及判稳分析打开ycfz.mdl文件，运行程序仿真可得：这里也可以通过Routh计算可知:系统稳定K1的范围是0K1210当K1=200时，得其开环Bode图为：增益裕量为0.424dB，相角裕量为1.29度，系统稳定性不好。3.2 系统仿真实验题目2司机驾驶汽车的模型如下图所示，其中，K=5.3。(a) 若反应时间T=0，求出系统的闭环频率响应，增益裕度和相角裕度；(b) 当T=0.1s时，估算系统的相角裕度；(c) 为使系统临界稳定（即相角裕度为0），计算所需的反应时间。R(s)预期路线 C(s) + 横向偏移 _汽车K/s2方向盘e-st/s2.2 系统仿真实验题目2预测器s2+0.8s+0.322.3 系统仿真实验题目3解答：由2.1的仿真步骤，可得其系统仿真图为：在这里，多项式在simulink中无法表示出来（由于，规定传递函数分母阶次不小于分子），故这里采用加入次要极点的方法表示。其中由于延迟环节可由泰勒级数展开：这里可将延迟环节近似为T=0时，系统无延迟环节，由根轨迹分析可知系统是稳定的。系统开环传递函数为：，对其matlab仿真：num=5.3 4.24 1.696;den=1 0 0 0;y=tf(num,den);margin(y);增益裕量为-22.4dB，相角裕量为81.3度，系统不稳定（2） T=0.1时（由于此系统分母阶次不能小于分子，故只能一阶近似），系统传递函数为：，仿真结果如下：num=-0.53 0.576 4.071 1.69 ;den=1 0 0 0;y=tf(num,den);margin(y);增益裕量为5.51dB，相角裕量为7.44度，系统稳定（3）当系统相角裕量为0时，开环增益为0dB，系统开环传递函数为：，令幅值为算出的w值与T有关，再代入相频求得相角为-180度从而可解出T的值；求解过程略；3.3 系统仿真实验题目3人们常用电子电路和计算机来控制汽车。下图给出了一个汽车驾驶控制系统的例子，其中，控制杆负责操纵车轮。假定司机的反应时间T=0.2s。(a) 用Bode图确定增益K的取值，使闭环系统的谐振峰Mp不大于2dB；(b) 根据Mp或相角裕度分别估计系统的阻尼系数，若所得结果不同，请解释原因；(c) 估计闭环系统的带宽。人的反应时间e-sT车和前轮 K/s(0.1s+1)+ 控制杆 Y(s) 行驶方向 解答：同理延迟环节可近似为，故系统开环传递函数，闭环传递函数为，零频幅值M0=T(jw)，w=0时的幅值，由传递函数可算出：M0=1；由Bode图法试凑出K=30时谐振峰值为2dB，此时的谐振频率wr=12.8，如图所示：由Mp算阻尼系数：令dM(w)/dw=0,可得谐振频率谐振峰值为：，Mp=2dB可算得阻尼系数=0.707由相角裕量估算阻尼系数：当K=30时可由Bode图得相角裕量：相角裕量为=-75.6度，又由于，可估算，与Mp估计得不一样，因为两种方法各有近似，允许存在误差；系统带宽定义为系统闭环幅值衰减到零频幅值M0的0.707的频率范围wb，这里M0=1则M(jw)=0.707时可算得wb=42.3rad，即系统带宽为42.34结语自动控制原理对我们来说是一门崭新却又熟悉的课程。虽然仅仅学习了8周的时间，但这门课程很大程度上提高了我们针对问题提出分析和解决方案的能力。我们学习的是自动控制的基本概念、基本原理和基本方法。尽管每一种问题的解决方案千变万化，但只要我们找准固定的思路，再稍作变化，问题便可迎刃而解。通过这门课程，我们学习到了数学模型的建立和求解、线性系统的运动、自动控制系统的稳定性分析、根轨迹的绘制和利用根轨迹法分析系统的性能等。我们很大的感受就是，这是一门与数学紧密相关的课程。例如老师在讲解拉普拉斯变换时，还涉及到了阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数、指数函数、正弦函数等。拉普拉斯变换主要是用来求解在时间域系统的输入和输出的偏微分方程，拉普拉斯变换主要就是把时间域变到复频域。这些名词最初听上去都很抽象，但只要我们从抽象的概念中分析出事物间的联系，搞清楚易混淆概念之间的区别与联系，对这门课的认识也就更加深入了。在平时上课和做课后作业的过程中，我们遇到了很多困难。但是通过互相讨论交流，包括与不同小组间的思想互换，我们还是解决了一些问题。现如今，随着科