基于Matlab的自动控制系统设计与校正课程设计

1、基于Mat lab的自动控制系统设计与校正课程设计自动控制原理课程设计设计题目：基于Matlab的自动控制系统设计与校正目录目录第一章 课程设计内容与要求分析设计内鑒12设计要求11.3Matlab 软件213. 1基本功能2仁32应用3第二章控制系统程序设计42.1校正装置计算方法22课程设计要求计算4第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析3. 1校正系统的传递函数63.2 用 Mat lab 仿真63. 3利用Mat I ab/S i mu I ink求系统单位阶跃响应103. 2. 1原系统单位阶跃响应103. 2. 2校正后系统单位阶跃响应 11 3. 2. 3校正前、后系统单位阶

2、跃响应昭123.4硬件设计13 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真 14课程设计心得体会16参考文献18第一章课程设计内容与要求分析第一章课程设计内容与要求分析设计内容针对二阶系统W(s)= K心 + 1),利用有源串联超前校正网络(如图所示)进行系统校正。当开关S接通 时为超前校正装置，其传递函数其中R-, + R3Kr = a = 1 += 1Ri ,R4(R2+R3), T = R,“-”号表示反向输入端。若Kc=l,且开关S断开，该装置相当于一个 放大系数为1的放大器(对原系统没有校正作用)。1第一章 课程设计内容与要求分析1.2设计要求1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态

3、误差Ms）。， 开环截止频率3（/ M4.4弧度/秒，相位裕量丫 45 ;2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数；3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线;4）设校正装置R1=1OOK, R2=R3=50K,根据计算结果确定有源超前校 正网络元件参数R4、C值；5）绘制引入校正装置后系统电路图（设给定的电阻和电容：R=100K, C=lgF、10pF 若干个）；6）利用Matlab仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数 频率特性曲线，并验算设计结果；7）在Matlab-Simulink下建立系统仿真模型，求校正前、后系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能

4、比较；8）利用自动控制原理实验箱完成硬件设计过程，包括：搭建校正前后 系统电路、输入阶跃信号并通过示波器观察校正前后系统输出响应曲线。1.3 Mat I ab 软件1.3.1基本功能MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视 化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科 学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一 个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值 计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了 传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国 际科学计

5、算软件的先进水平。MATLAB和Mathematical Maple并称为三大数学软件。它在数学类科第一章 课程设计内容与要求分析技应用软件中在数值计算方面首屈一指。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matlab 发工作界面接其他 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的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用 的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C, FORTRAN等语言完成 相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点

6、，使 MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C, FORTRAN, C+, JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入 到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写 了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。罪ATLAB产品族可以用来进行以下各种数值分析:WISI控制系统的设计与仿真1.3.2应用财务与金融工程2、咖 B 嘶蠶樹辭和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和数字图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真测量、财务建模和分析以及计算生物学等众 多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专 用MATLAB函数

7、集）扩展了 MATLAB环 境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。第二章控制系统程序设计第二章控制系统程序设计2.1校正装置计算方法设超前校正装置传递函数为:S 门 +1叱心）= 5 + 17d , rdl若校正后系统的截止频率3C=3m,原系统在3（/处的对数幅值为L（3C，）, 则：一 Z T =卫 =二-w 0.45 也 T VCD J 4.4(、10.455： +10蔦 X -5 + 14校正后传递函数:10(0.45$+ 1)5(5 + 1)(0.455 + 1)1 +D=因此RR =4二沁=3十厂8.3心 RJRs+RJ100x/?40.45k.4x8.3xl03=0.014 x

8、103F = I4/F第二章控制系统程序设计第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析第三章 利用Matlab仿真软件进行辅助分析3.1校正系统的传递函数设原系统传递函数为W(s) = 一-一 s(s + a)校正装置传递函数为bs+ 叱心)=7CS + 1 ,则校正后传递函数为W (5) = W(s)Wc(s)=K 加+ 1 s(s + a) cs +13.2用Mat I ab仿真 num=10; den=i，l，O; W=tf(num,den);传递函数W(s)bode(W);对数频率特性margin(W);%求原系统%绘制原系统%求原系统第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析

9、%绘制网格线Gm，Pm，wj 9wc=margin(W); grid;令沪1:进行仿真，得到下图：校正前系统伯德图第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec), Pm = 18 deg (at 3.08 rad/sec)p) ap2c6e 乏(60P) ase-cd图3-1校正前系统伯徧图numc=b4J； denc=c,l； W c=tf(numc,denc);%求校正装置传递函数Wcbode(Wc);%绘制校正装置对数频率特性grid;%绘制网格线(该条指令可有可无)已知求得：b=l/2. 412 (0.46

10、) ,c=l/7.236o进行仿真得下图：系统校正装 置伯德图。第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析Bode Dagramo4030E 201001030 12 10 10 10 10Frequency (radsec)图3-2系统校正装置伯彼图numh=conv(num9numc); denh=conv(den,denc); Wh=tf(numh,denh);后系统传递函数呼(S)bode(Wh);正后系统对数频率特性%求校正%绘制校%求校正后 系统幅 值裕 度、相 位裕 度、相 位穿越 频率和 幅值穿margin(Wh);越频率第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析%绘制

11、Gm,Pm,wj,wc=margin(Wh); grid;网格线(该条指令可有可无第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec), Pm = 50.1 deg (at 4.42 rad/sec)图3-3校正后系统伯彼图mp) pmc6ew(6P)se=d%绘制原%保留曲%绘制校%保留曲%绘制校%绘制网bode(W/f);系统对数频率特性hold on;线，以便在同一坐标系内绘制其他特性bode(Wc；-J);正装置对数频率特性hold on;线，以便在同一坐标系内绘制其他特性bode(Wh);正后系统对数频率特性g

12、rid;格线(该条指令可有可无)19第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析100500Bode Diagram-50图3-4校正前、后校正装置伯律图(6CDP)3. 3利用Mat I ab/S i mu I i nk求系统单位阶跃响应3. 2.1原系统单位阶跃响应原系统仿真模型如图3-5所示。19第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析StepGainIntegratorjransfer FonScopeT)Out1图3-5校正前系统图系统运行后，其输出阶跃响应如图3-6所示:3. 2. 2校正后系统单位阶跃响应校正后系统仿真模型如图3-7所示：19第三章 利用Mat lab仿真

13、软件进行辅助分析4.5$+111口3.11S+1s+1Step4Tiansfer Fcn1GainInt呵atorsfer FenScopeOut1图3-7矫正后系统图系统运行后，其输出阶跃响应如图3-8所示:图3-8校正后系统阶跃响应波形图3. 2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较19第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析仿真模型如图3-9所示:Step图3-9校正前、后系统仿真模型系统运行后，其输出阶跃响应如图3-10所示:图310校正前、后系统输出阶跃响应波形图3.4119第三章 利用Mat lab仿真软件进行辅助分析19课程设计心得体会课程设计心得体会通过自动控制原理课程设计，

14、加强了我们动手、思考和解决 问题的能力。这个方案使用了 Matlab软件，使我们有掌握了一 个软件的应用。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于 课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各 个原理的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中, 我们了解了很多原理的功能。平时看课本时，有时问题老是弄不 懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很 多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践 是检验真理的唯一标准。所以这个期末的课程设计对我们的作用 是非常大的。我想说，设计确实有些困难，但苦中也有乐，在如今单一的 理论学习中，很少有机会能

15、有实践的机会。也许有人不喜欢这类 的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我认为无论干什 么，只要认真去做，一定会有好结果的。对我们而言，知识上的 收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一 份拥有。虽然不是第一次做课程设计了，但是设计的过程中遇到问 题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时 在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理 解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了， 在设计中遇到了很多专业知识问题，通过这次课程设计使我懂得 了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考 的能力。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们19课程设计心得体会表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次 表示忠心的感谢！此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思 考解决问题，出现差错的随机应变。在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的 无私帮助！19课程设计心得体会19参考文献参考文献【1】胡寿松自动控制原理，第6版，科学出版社，2013. 32 王正林、王胜开MATLAB/Simuli