自动控制原理及系统仿真课程设计.

1、自动控制原理及系统仿真课程设计学 号：1030620227姓名：李斌指导老师：胡开明学 院：机械与电子工程学院2013 年 11 月目录一、设计要求1二、设计报告的要求1三、题目及要求1（一）自动控制仿真训练1（二）控制方法训练19（三）控制系统的设计23四、心得体会27五、参考文献28自动控制原理及系统仿真课程设计一：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

2、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：设计报告的要求：1.理论分析与设计2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。3.设计中的心得体会及建议。三：题目及要求一）自动控制仿真训练1.已知两个传递函数分别为：G11,G2 ( x)( x)3s123s2s1在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；MATLAB代码：num=1den=3 1G=tf(num,den)

3、E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)num=2den=3 1 0G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)仿真结果：num =2den =310Transfer function:2-3 s2 + s2E = Empty matrix: 0-by-1F = 0.6667A =-0.333301.00000B=10C = 00.6667D = 0num = 1den =31Transfer function:1-3 s + 1E =Empty matrix: 0-by-1F =0.3333 A = -0.3333 B

4、 =1C =0.3333D =0在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系3统模型。MATLAB代码：num1=1den1=3 1G1=tf(num1,den1)num2=2den2=3 1 0G2=tf(num2,den2)G3=G1*G2G4=G1+G2仿真结果：num1 =1den1 =31Transfer function:1-3 s + 1num2 =2den2 = 310Transfer function:2-43 s2 + sTransfer function:2-9 s3 + 6 s2 + sTransfer function:3 s2 + 7 s + 2-9 s3

5、 + 6 s2 + s2.系统的传递函数模型为s4s37s224s24，判断系10s335s250s 24G(s)统的稳定性。MATLAB代码：num=1 7 24 24den=1 10 35 50 24G=tf(num,den)p=eig(G)p1=pole(G)r=roots(den)仿真结果：num = 172424den = 1103550245Transfer function:s3 + 7 s2 + 24 s + 24-s4 + 10 s3 + 35 s2 + 50 s + 24p =-4.0000 -3.0000 -2.0000-1.0000p1=-4.0000-3.0000-2

6、.0000-1.0000r =-4.0000 -3.0000-2.0000-1.0000k3.单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)2s 2) ，s( s 2.73)(s2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。MATLAB代码：num=16den=conv(1 2.73 0,1 2 2)rlocus(num,den)axis(-8 8 -8 8)figure(2)r=rlocus(num,den);plot(r,'-')axis(-8 8 -8 8)gtext('x')gtext('x')gtext('x'

7、)仿真结果：num =1den =1.00004.73007.46005.460007G (s)5(10 s 1)4.已知系统的开环传递函数为0.2s 1)(0.5s 1) ，绘制系s( s2统的 Bode 图和 Nyquist, 并能够求出系统的幅值裕度和相角裕8度。MATLAB代码：s=tf('s')G=5*(10*s+1)/(s*(s2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)figure(1)bode(G)gridfigure(2)nyquist(G)gridaxis(-2 2 -5 5)仿真结果：Transfer function:sTransfer function:5

8、0 s + 5-0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + s95考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为G (s)43s 4，G c ( s)s3 ， H (s)1，用 MATLABs32s2s30.01s 1语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。10MATLAB代码：num=4den=1 2 3 4G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1 -3den=1 3G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1den

9、=0.01 1G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)11y,t=step(G0)plot(t,y)num1=4den1=1 2 3 4G1=tf(num1,den1)num2=1 -3den2=1 3G2=tf(num2,den2)num3=1den3=0.01 1G3=tf(num3,den3)G=G1*G2G0=feedback(G,G3)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)figure(2)step(G)y,t=step(G)plot(t,y)12num =4den =1234Transfer function:4-s3 + 2

10、s2 + 3 s + 4Transfer function:4-s3 + 2 s2 + 3 s + 8y =1.0e+024 *0-0.83942.3467-3.84664.9206-5.09013.9226t =0131.42932.85864.28795.71727.14658.5758.464.5216465.9509467.3802468.809414num =1-3den =1Transfer function:s - 3-s + 3Transfer function:s - 3-2 sy = 1.0e+004 *15num =1den =0.01001.0000Transfer f

11、unction:1-0.01 s + 1Transfer function:1-0.01 s + 2y =0t=0num1 =416den1 =1234Transfer function:4-s3 + 2 s2 + 3 s + 4num2 =1-3den2 =13Transfer function:s - 3-s + 3num3 =1den3 =0.01001.0000Transfer function:1-0.01 s + 1Transfer function:4 s - 12-s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12Transfer function:170.04 s2 +

12、 3.88 s - 12-0.01 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 sy = 1.0e+004 *t=018二）控制方法训练微分先行控制设控制回路对象2e4sPID 和微分先行G (s)，分别采用常规4s1PID 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。Simulink 仿真如下：19Smith 预估控制设控制回路对象G (s)2e 4s ，设计 Smith 预估控制器，分别采4s1用常规 PID 和 Smith 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。20Simulink 仿真如下：21大林

13、算法控制设被控对象传函e 2 s，目标闭环传递函数（ s）e2 sG (s)12s，4s1试设计大林控制器，并在Matlab 中进行验证。Simulink 仿真如下：22三）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；233） . 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

14、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/m0123456789inH/c00.64.75.97.68.38.89.39.810.m7

15、663039305T/m10111213141516171819inH/c10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.m16405063727683898989下水箱直径为 35cm，高度为 20cm, 当电动阀开度为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/m00.31.32.33.34.35.36.37.3in77777777H/c01.12.13.13.85.15.35.86.5m76637030T/m8.39.310.11.12.13

16、.14.15.16.in773737373737373724H/c7.07.57.88.38.59.09.19.59.7m343603706T/m17.18.19.20.21.22.23.24.25.in373737373737373737H/c9.810.10.10.10.10.10.10.10.m31036508484848484Simulink 仿真如下：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。251）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

17、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Pnom 10 kW ， U nom220V ， I nom 53.5A ， nnom1500r / min ，电枢电阻 R a0.31，V-M 系统的主电路总电阻R 0.4，电枢电路的电磁时间常数Ta 0.0128s ，机电时间常数T m 0.042s ，测速反馈系数 kt 0.0067v / rpm ,系统的电流反馈系数ki0.

18、72v / A ，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Ton=0.01s。Simulink 仿真如下：26四、心得体会通过为期三天的课程设计，我有如下几点感想：首先，通过这次课程设计让我熟悉并掌握了MATLAB软件的使用方法，而且通过频繁地使用 MATLAB 对传递函数、零极点、状态空间表达方法和串联、并联、反馈后得到的系统模型进行仿真， 通过 MATLAB 绘制 Bode 图、Nyquist图，对系统稳定性进行判定等， 复习了从 MATLAB 与控制系统仿真实践 中学到的知识， 并加深了对其的理解与运用。其次，通过对微分先行控制、 smith 预估控制、大林