自动控制原理及系统仿真课程设计方案

1、 自动控制原理及系统仿真课程设计 姓名： 专业：自动化 班 级：10306203 学 号：10306203 学 院：机械与电子工程系 二零一三年十一月二十四日 4、设计要求 1、完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。 2、自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守 实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐 在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。 3、课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查 运行结果，原则上不对中途故障进行排查。 4、加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按

2、照运行的要求给 出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有 1/3时间不到或没有任何运行 结果，视为不合格。 二、Matlab仿真及结果 一）自动控制仿真训练 i已知两个传递函数分别为: 在MATLAB分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示; | 传递函数、零极点、和状态空间法表示如下 11传递函数程序代码: num=1 den=3 1 g=tf( nu m,de n 运行结果： num = 1 den = 31 g = 1 3 s + 1 Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on. 1.2零极点程序代码： Gtf=tf(1,3 1 z,p,k=zpkda

3、ta(Gtf, v 运行结果： z = Empty matrix: 0-by-1 p = -0.3333 k = 0.3333 1.3状态空间法程序代码： num=1 den=3 1 gtf=tf(num,den gss=ss(gtf 运行结果： gss = a = x1 x1 -0.3333 b = u1 x1 0.5 c = x1 y1 0.6667 d = u1 y1 0 Continuous-time state-space model. 传递函数、零极点、和状态空间法表示如下 2.1传递函数程序代码: num=2 den=3 1 0 g=tf( nu m,de n 运行结果： num

4、 = 2 den = 310 3 sA2 + s Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on. 2.2零极点程序代码： Gtf=tf(2,3 1 0 z,p,k=zpkdata(Gtf,V 运行结果： z = Empty matrix: O-by-1 P = 0 -0.3333 k = 0.6667 2.3状态空间法程序代码: num=2 den=3 1 0 gtf=tf( nu m,de n gss=ss(gtf 运行结果： gss = a = x1 x2 x1 -0.3333 0 x2 1 0 b = u1 x1 1 x2 0 c = x1 x2 y1

5、0 0.6667 d = u1 y1 0 Continuous-time state-space model. 在MATLAB分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型 1.反馈程序代码： num1=1 。 den1=3 1 。 num2=2 。 den2=3 1 0 。 G1=tf(num1,den1 。 G2=tf(num2,den2 。 Gf1=G1/(1+G1*G2 运行结果： Gf1 = 9 sA3 + 6 sA2 + s 27 sA4 + 27 sA3 + 9 sA2 + 7 s + 2 Continuous-time transfer function. 2串联程序代码: nu

6、m仁1。 den仁3 1。 num2=2。 den 2=3 1 0。 G1=tf(n um1,de n1 G2=tf( nu m2,de n2 Gp=G1+G2 运行结果： Gp = 3 sA2 + 7 s + 2 9 sA3 + 6 sA2 + s Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on. 3并联程序代码： num仁1。 den仁3 1。 num2=2。 den 2=3 1 0。 G仁 tf( nu m1,de n1。 G2=tf( num2,de n2。 Gs=G2*G1 运行结果： Gs = 2 9 sA3 + 6 sA2 + s Con ti n

7、u ous-time tran sfer fun cti on. 2.系统的传递函数模型为 ，判断系统的稳定 性。 程序代码： num=1 7 24 24。 den=1 10 35 50 24。 G=tf(nu m,de n Gc=feedback(G,1 num,den=tfdata(Gc,v 。 r=roots(de n disp(系统闭环极点：。 disp(r a=fi nd(real(r=0。 b=le ngth(a。 if b0 disp=(系统不稳定.。 else disp(系统稳定.。 end 程序结果: Gc = sA3 + 7 sA2 + 24 s + 24 sA4 + 11

8、 sA3 + 42 sA2 + 74 s + 48 Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on. r = -5.5616 -2.0000 + 1.4142i -2.0000 - 1.4142i -1.4384 系统闭环极点： -5.5616 -2.0000 + 1.4142i -2.0000 - 1.4142i -1.4384 系统稳定. 3.单位负反馈系统的开环传递函数为 ，绘制根轨迹 图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益 程序代码： num=1。 den=con v(1 2.73 0,1 2 2 rlocus( nu m,de n 程序结果

9、： Rent Locus -5-44-2-11 Q ReaiAis(secnds，1) 2 10-1234 -rEIPLIQuBE-j ajeesee- -5 ，绘制系统的Bode 4.已知系统的开环传递函数为 图和Nyquist，并能够求出系统的幅值裕度和相角裕度。 程序代码： s=tf( s 。 G=5*(10*s+1/(s*(sA2+0.2*s+1*(0.5*s+1 step(feedback(G,1 。 bode(G grid gm,pm=margi n(G figure(2 nyq uist(G 运行结果: G = 50 s + 5 0.5 sA4 + 1.1 sA3 + 0.7 s

10、A2 + s Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on. Warning: The closed-loop system is un stable. In warning at 26 In Dyn amicSystem.margin at 63 In NKST at 6 gm = 0.0093 pm = -65.0419 Bode Dtagram hjV Hyquist DtagrBur troLJolBE- O -150 -50 冃询Axis D 00 4 20 00 4 - 00 杠 5考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为 ，用MATLAB语句

11、分 别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线 程序代码: num1=4。 den仁1 2 3 4。 num2=1 -3。 den 2=1 3。 G仁 tf( nu m1,de n1。 G2=tf( nu m2,de n2。 Gs=G1*G2 step(Gs 运行结果： Gs = 4 s -12 sA4 + 5 sA3 + 9 sA2 + 13 s + 12 Tine i seconds) 程序代码: num1=4。 den仁1 2 3 4 num2=1 -3 den 2=1 3 G1= tf(num1,den1 G2=tf( num2,de n2 Gs=G1*G2 nu m3=1 o den 3=0

12、.01,1。 Hs=tf( num3,de n3 G0=feedback(Gs,Hs step(G0 运行结果： Gs = 4 s -12 sA4 + 5 sA3 + 9 sA2 + 13 s + 12 Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on. G0 = 0.04 sA2 + 3.88 s - 12 0.01 sA5 + 1.05 sA4 + 5.09 sA3 + 9.13 sA2 + 17.12 s Step Response Time (secoRds i nu wpn 三 dujy 二）控制方法训练 1微分先行控制 设控制回路对象.工，分别采用常规

13、PID和微分先行PID控制后系统输 出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。 常规PID : 2 1 0 1 微分先行PID控制: 2、Smith预估控制 设控制回路对象丨心|，设计Smith预估控制器，分别采用常规PID和Smit h预估控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。 常规PID : Smith预估控制 3、大林算法控制 设被控对象传函，目标闭环传递函数，试设计大林 控制器, 并在Matlab中进行验证。 三) 控制系统的设计 1. 双容水箱串级控制系统的设计 要求：完成双容水箱控制系统的性能指标：超调量 30%，调节时间30s,扰动作 用下系统

14、的性能较单闭环系统有较大的改进。 1) .分析控制系统的结构特点设计合理的控制系统设计方案； 2) .建立控制系统的数学模型，完成系统的控制结构框图； 3) .完成控制系统的主副控制器的控制算法策略的选择 (PID，并整定相应的控 制参数； 4) .完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制 要求，完成系统的理论的设计。 5) .写出系统的PID算法控制程序等的软件程序代码C语言或汇编语言)。 以THJ-2型过程控制实验对象测得的实验数据为：上水箱直径为25cm高度为 20cm,当电动阀输出的开度为50时，得水泵流量为Q=4.3186L/min,水箱自平衡时 的液位高

15、度为10.894cm,说明给定的频率阶跃信号适当，不会使系统动态特性的 非线性因素增大，更不会引起系统输出出现超调量的情况，在开度为50时下水 箱的液位随时间变化值如下表： T/mi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 n H/cm 0 0.67 4.76 5.96 7.63 8.30 8.83 9.39 9.83 10.0 5 T/mi n 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 H/cm 10.1 10.4 10.5 10.6 10.7 10.7 10.8 10.8 10.8 10.8 6 0 0 3 2 6 3 9 9 9 下水箱直径为35cm高度为20cm,当电

16、动阀开度为40时，得水泵流量为 Q=2.6064L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.838cm,同样说明给定的频率阶跃 信号适当，在开度为40时时上水箱的液位随时间变化值如下表： T/mi n 0 0.37 1.37 2.37 3.37 4.37 5.37 6.37 7.37 H/cm 0 1.17 2.16 3.16 3.83 5.17 5.30 5.83 6.50 T/mi n 8.37 9.37 10.37 11.37 12.37 13.37 14.37 15.37 16.37 H/cm 7.03 7.54 7.83 8.36 8.50 9.03 9.17 9.50 9.76 T/

17、mi n 17.37 18.37 19.37 20.37 21.37 22.37 23.37 24.37 25.37 H/cm 9.83 10.10 10.36 10.50 10.84 10.84 10.84 10.84 10.84 RnTrTdi 2. 基于数字控制的双闭环直流电机调速系统设计 要求：完成双闭环的直流电机调速系统的微机控制设计，超调量30%，调节时 间0.5s,稳态无静差。 1）分析控制的结构特点设计合理的控制系统的控制方案； 2）选择合适的检测与执行元件和控制器，完成控制系统的硬件结构设计； 3）建立系统的各控制参数的数学模型； 4）分别完成转速和电流控制系统的控制算法的选择和参数的整定，完成系统设 计； 5）完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制 要求，完成系统的理论的设计。 设直流电机 1丨 ，亠1，亠1，1，电枢电阻 亠 I， V- M系统的主电路总电阻，电枢电路的电磁时间常数I ，机电时 间常数，测速反馈系数J亠亠】，系统的电流反馈系数 ，触发整流装置的放大系数Ks=30,三相平均失控时间Ts=0.00167s ，电流滤波时间常数Toi=0.002s,转速环滤波时间常数T