自动控制原理课程设计

1、自动控制原理课程设计报告课程名称：自动控制原理设计题目：自动控制原理MATLAB仿真院系：自机学院班级：电气 (1)班设 计 者： *学号： *004170219指导教师： *设计时间： 2013 年 1 月一实验目的和意义：1. 了解 matlab 软件的基本特点和功能，熟悉其界面，菜单和工具条；掌握线性系统模型的计算机表示方法，变换以及模型间的相互转换。了解控制系统工具箱的组成，特点及应用；掌握求线性定常连续系统输出响应的方法，运用连续系统时域响应函数（ impulse,step,lsim）,得到系统的时域响应曲线。2. 掌握使用 MATLAB 软件作出系统根轨迹；利用根轨迹图对控制系统进

2、行分析；掌握使用 MATLAB 软件作出开环系统的波特图，奈奎斯图；观察控制系统的开环频率特性，对控制系统的开环频率特性进行分析。3. 掌握 MATLAB 软件中 simulink 工具箱的使用；熟悉 simulink 中的功能模块，学会使用 simulink 对系统进行建模；掌握 simulink 的方真方法。二实训内容1. 用 matlab 语言编制程序，实现以下系统：1）G(s)=5s324s2184s36s22s2s4程序 :num=5 24 0 18;den=1 4 6 2 2;h=tf(num,den)h=tf(num,den)Transfer function:5 s3 + 24

3、 s2 + 18-s4 + 4 s3 + 6 s2 + 2 s + 22)G(s)=4（ s 2)( s26s6)23s22s 5)s( s 1)3 (s3输入以下程序n1=4*1 2;n2=1 6 6;n3=1 6 6;num=conv(n1,conv(n2,n3);d1=1 1;d2=1 1;d3=1 1;d4=1 3 2 5;den1=conv(d1,d2);den2=conv(d3,d4);2 den=den1 den2 0; h=tf(num,den) Transfer function:4 s5 + 56 s4 + 288 s3 + 672 s2 + 720 s + 288-s8

4、+ 2 s7 + s6 + s5 + 4 s4 + 5 s3 + 7 s2 + 5 s2. 两环节 G1，G2 串联，求等效的整体传递函数G(s)G1(s)=2G2(s)=71s3s22s程序：n1=2;d1=1 3;sys1=tf(n1,d1);n2=7;d2=1 2 1;sys2=tf(n2,d2);sys12=sys1*sys2Transfer function:14-s3 + 5 s2 + 7 s + 33.两环节 G1，,G2 并联，求等效的整体传递函数G(s)G1(s)=2G2(s)=7s3s22s 1输入以下指令：num1=2;den1=1 3;sys1=tf(num1,den1

5、);num2=7;den2=1 2 1;sys2=tf(num2,den2);sys12=sys1+sys2Transfer function:2 s2 + 11 s + 23-s3 + 5 s2 + 7 s + 34已知系统结构如图，求闭环传递函数。其中的两环节G1,G2 分别为G1(s)=23s1002G2(s)=s2s 812s 5输入以下指令：n1=3 100;d1=1 2 81;n2=2;d2=2 5;s1=tf(n1,d1);s2=tf(n2,d2);sys=feedback(s1,s2)Transfer function:6 s2 + 215 s + 500-2 s3 + 9 s

6、2 + 178 s + 6055. 已知某闭环系统的传递函数为G(s)=10s25,求其单位阶1.96s210s0.16s3253跃响应曲线，单位脉冲响应曲线。1）单位阶跃响应输入如下指令：num=10 25;den=0.16 1.96 10 25;y=step(num,den,t);plot(t,y);grid; （绘制单位阶跃响应图）title; （单位阶跃响应曲线图）图 5.1.1 系统的阶跃响应曲线2)单位脉冲响应输入如下指令：num=10 25;den=0.16 1.96 10 25;t=0:0.01:3;y=impulse(num,den,t);plot(t,y);grid;图 5

7、.1.2 系统的脉冲响应曲线46.典型二阶系统的传递函数为 G(s)=wn22 , wn 为自然频率， 为阻尼比，s22 wn s wn试绘制出当=0.5， wn 分别取 -2 ,0 ,2 ,4 ,6 ,8 ,10 时该系统的单位阶跃响应曲线；分析阻尼比分别为 -0.5，-1 时系统的稳定性。输入如下指令：（ 1） .当 =0.5， n 分别取 -2、0、2、4、6、8、10 时w=0:2:10;kosai=0.5;figure(1)hold onfor Wn=wnum=Wn2;den=1,2*kosai*Wn,Wn2;step(num,den);endhold offgrid on;titl

8、e( 单位阶跃响应 )xlabel(时间 )ylabel(振幅 )图 6.1.1=0.5，n分别取 -2、 0、 2、4、 6、 8、 10 时的曲线图（ 2） .当 =-0.5 w=0:2:10;5kosai=-0.5;figure(1)hold onfor Wn=wnum=Wn2;den=1,2*kosai*Wn,Wn2;step(num,den);endhold offgrid on;title( 单位阶跃响应 )xlabel(时间 )ylabel(振幅 )图 6.1.2=-0.5 时，系统的单位阶跃响应曲线图（ 3.当 =-1w=0:2:10;kosai=-1;figure(1)hol

9、d onfor Wn=wnum=Wn2;den=1,2*kosai*Wn,Wn2;step(num,den);endhold offgrid on;title( 单位阶跃响应 )xlabel(时间 )6ylabel(振幅 )图 6.1.3=-1 时单位阶跃响应曲线图分析：由以上结果可以知道当n 确定，取 -0.5 和 -1 时，其单位阶跃响应曲线是发散的，所以系统不稳定。阻尼比越大，振荡越弱，平稳性越好，反之，阻尼比越小，振荡越强，平稳性越差。0.016s30.218s21.436 s9.3597.设有一高阶系统开环传递函数为G(s)= 0.06 s3 0.268s2 0.635s 6.271

10、 ,试绘制该系统的零极点图和闭环根轨迹图。1）系统的零极点输入如下指令：num=0.016 0.218 1.436 9.359;den=0.06 0.268 0.635 6.271;z,p,k=tf2zp(num,den)运行结果：z =-10.4027-1.6111 + 7.3235i-1.6111 - 7.3235ip =-5.77100.6522 + 4.2054i0.6522 - 4.2054ik =0.26677图 7.1.1 系统的零极点图2）系统的闭环根轨迹输入如下指令：num=0.016 0.218 1.436 9.359;den=0.06 0.268 0.635 6.271;

11、rlocus(num,den)图 7.1.2系统的闭环根轨迹图2s48s312 s28s28.单位反馈系统前向通道的传递函数为：G(s)= s6 5s5 10s4 10s3 5s2 s ,试绘8制该系统的 Bode 图和 Nyquist 曲线，说明软件绘制曲线与手动绘制曲线的异同。1）绘制该系统的 Bode 图：输入如下指令：num=0 0 2 8 12 8 2;den=1 5 10 10 5 1 0;margin(num,den)图 8.1.1系统的 Bode 图2)系统的 Nyquist 图输入如下指令：num=0 0 2 8 12 8 2;den=1 5 10 10 5 1 0;nyqu

12、ist(num,den)图 8.1.2 系统 Nyquist 曲线9.已知某控制系统的开环传递函数K,K =1.5,试绘制系统的开环G(s)=s( s 1)( s2)频率特性曲线，并求出系统的幅值和相位裕量。9输入如下指令 :d1=1 1;d2=1 2den1=conv(d1,d2); den=den1 0;num=10;bode(num,den)程序运行结果如图所示图 9.1.1系统的开环频率特性曲线gm,pm,wcg,wcp=margin(num,den)运行结果如下：Gm=0.6000%幅值裕量pm = -12.9919%相角裕量wcg =1.4142%Nyquist 曲线与负实轴交点处

13、频率wcp =1.8020%截止频率10.在 SIMULINK 中建立系统，该系统阶跃输入时的连接示意图如下。K 为学生学号后三位。绘制其单位阶跃响应曲线， 分析其峰值时间， 延迟时间，上升时间，调节时间及超调量。输入如下程序：10num=219;den=1 9 219;step(num,den);grid;图 10.1.1单位阶跃响应曲线分析其峰值时间t p ，延迟时间 td ，上升时间 tr ，调节时间 ts 及超调量num=219;den=1 9 219;y,x,t=step(num,den);peak,k=max(y);overshoot=(peak-1)*100tp=t(k)n=1;

14、while y(n)0.98)&(y(m)10 分贝，相位裕度 大于等于 45 度。程序如下：G=tf(100,0.04,1,0);Gw,Pw,Wcg,Wcp=margin(G)G1=tf(100,0.04,1,0);G2=tf(100*0.025,1,conv(0.04,1,0,0.01,1)bode(G1)holdbode(G2,r)gridfigureG1c=feedback(G1,1);G2c=feedback(G2,1);step(G1c)holdstep(G2c,r)grid结果如下：Gw =InfPw =28.0243Wcg =InfWcp =46.9701Transfer fu

15、nction:2.5 s + 100-0.0004 s3 + 0.05 s2 + s矫正前后的 bode 图和域响应图如下：12图 11.1 矫正前后的bode 图图 11.2 矫正前后的时域响应图三. 总结本次课题设计， 不仅是对前面所学知识的一种检验，而且是对自己能力的一种提升。在设计过程中，我们通过到图书馆借阅了大量的自动控制原理 MATLAB 实现的相关资料， 自学的时候与同学交流探讨， 一步一步的分析和研究， 并在老师和同学的帮助下， 解决各种问题， 最终完成了课题设计。 在此期间遇到了不少问题，首先是对之前所学知识的遗忘，再次， MATLAB的初次见面也很陌生。不仅要复习自动控制原理的相关知识，还要学习 MATLAB软件的使用。通过这次课程设计， 我巩固了自动控制原理所学的基本知识。 同时，最主要的是对 MATLAB软件有了初步了解，为以后的学习奠定一定的基础。也使我们明白了实践与理论相结合的重要性。在此过程中态度问题也是非常重要的。初步使用 MATLAB时，不是很熟悉，出现了许多的问题，影响了实验的准确13性。通过这次课题设计， 锻炼了我们独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力；让我们学会使用 MATLAB和 Simul