自动控制原理及系统仿真课程方案设计书

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。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。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。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。4、加大考查力度，每个时间段均进行考勤

2、，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。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。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:Gi(x)、G2(x) =3s 1在MATLAB分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示;1GW 冇传递函数、零极点、和状态空间法表示如下11传递函数程序代码:num=1den=3 1g=tf( nu m,de n)运行结果：num =1den =31g =Continuous-time transfer function.1.2零极点程序代码：Gtf=tf(1,3 1)z,p,k=zpk

3、data(Gtf, 'v' )运行结果：z =Empty matrix: 0-by-1p =-0.3333k =0.33331.3状态空间法程序代码：num=1den=3 1gtf=tf(num,den)gss=ss(gtf)运行结果：gss =a =x1x1 -0.3333 b =u1 x1 0.5 c =x1y1 0.6667 d =u1y1 0Continuous-time state-space model.G2（x） 纟 传递函数、零极点、和状态空间法表示如下3s+s2.1传递函数程序代码:num=2den=3 1 0g=tf( nu m,de n)运行结果：num

4、=2den =33 sA2 + sCon 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,运行结果：z =Empty matrix: 0-by-1P =0-0.3333k =0.66672.3状态空间法程序代码:num=2den=3 1 0gtf=tf( nu m,de n)gss=ss(gtf)运行结果：gss =a =x1x2x1 -0.33330x2 1 0b =u1x1 1x2 0c =x1 x2y1 0 0.6667d =u1y1 0Continuous-time stat

5、e-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：Gf19 sA3 + 6 sA2 + s27 sA4 + 27 sA3 + 9 sA2 + 7 s + 2Continuous-time transfer function.2串联程序代码:num 1= 1;den 1=3 1;num2=2;den 2=3 1 0;G1= tf( num1,de n1);G2=tf(

6、 num2,de n2);Gp=G1+G2运行结果：Gp =3 sA2 + 7 s + 29 sA3 + 6 sA2 + sCon ti nu ous-time tran sfer fun cti on.3并联程序代码：num 1= 1;den 1=3 1; num2=2;den 2=3 1 0;G1= tf( num1,de n1);G2=tf( num2,de n2);Gs=G2*G1运行结果：Gs =9 sA3 + 6 sA2 + sCon ti nu ous-time tran sfer fun cti on.2.系统的传递函数模型为32s3 - 7s224s24G(s) = 432s

7、4 +10s3 +35s2 +50s + 24判断系统的稳定性。程序代码：num=1 7 24 24; den=1 10 35 50 24;'v');G=tf(nu m,de n) Gc=feedback(G,1) nu m,de n=tfdata(Gc, r=roots(de n)disp('系统闭环极点：);disp(r)a=fi nd(real(r)>=0);b=le ngth(a);if b>0disp=('系统不稳定.'); else disp('系统稳定.'); end程序结果:Gc =sA3 + 7 sA2 +

8、24 s + 24sA4 + 11 sA3 + 42 sA2 + 74 s + 48 Con ti nu ous-time tran sfer fun cti on.-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.kG(s)=23.单位负反馈系统的开环传递函数为s(s ' 2.73)(s 2s 2)，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,

9、1 2 2);rlocus( nu m,de n)程序结果：Rent Locus£-5-44-2-11 QReaiAis(secnds，1)2 10-1234 -rEIPLIQuBE-j ajeesee-5G(沪4.已知系统的开环传递函数为s(s 0.2s 1)(0.5s 1)，绘制系统的Bode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)gridgm,pm=margi n(G)figure(2)

10、nyq uist(G)运行结果：G =50 s + 50.5 sA4 + 1.1 sA3 + 0.7 sA2 + sCon ti nu ous-time tran sfer fun cti on.Warning: The closed-loop system is un stable.> In warning at 26In Dyn amicSystem.margin at 63In NKST at 6gm =0.0093pm = -65.0419104口洛 grptn > I r I :4I f I I I I I PI ! I I I P R mI ! F I I F q I

11、I I . I I P I I I IFrequency (rad/sj曹 $tELjolBE-Hyqurst BuagMiTi-150JOB-50Heal AxisD50ISO2ao5考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为G(s)二4s3 2s2 3s 4Gc(s)二s -'3s 3H(s)二10.01s - 1用MATLAB语句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;G1= tf( num1,de n1); G2=tf( num2,de n2); Gs=G1*G2 step(Gs)运行结果：

12、Gs =4 s -12sA4 + 5 sA3 + 9 sA2 + 13 s + 12Tme (seconds)程序代码：nu m1=4; den仁1 2 3 4; num2=1 -3;den 2=1 3;G1= tf( num1,de n1); G2=tf( num2,de n2);Gs=G1*G2nu m3=1;de n3=0.01,1;Hs=tf( num3,de n3);G0=feedback(Gs,Hs) step(G0)运行结果:Gs =4 s -12sA4 + 5 sA3 + 9 sA2 + 13 s + 12 Con ti nu ous-time tran sfer fun ct

13、i on. G0 =0.04 sA2 + 3.88 s - 12 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。0.01 sA5 + 1.05 sA4 + 5.09 sA3 + 9.13 sA2 + 17.12 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。wpnu-dluvStep Response204060Time (sewds)1CW二) 控制方法训练1微分先行控制2e°s 一设控制回路对象G(s)二一，分别采用常规PID和微分先行PID控制后系统输4s+1出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。謀养抟箧飆鐸怼类蒋薔。常规PID :微分先行PID控制:2、Smith预估控制2e出设控制回路对象G(s)二竺 ，设

14、计Smith预估控制器，分别采用常规PID和4s +1Smith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。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。常规PID :PIOZ1 1rr*1Step!JPID ContTDileflrransler Fen：TranspertScopelSmith预估控制PIC21PID CQ5Ttrgll|»fTr»nipflrtFml45+t3、大林算法控制_2s工s设被控对象传函G（s-，目标闭环传递函数（s）-，试设计大林控4s+12s + 1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

15、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。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。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。 鹅娅尽損鹤惨歷茏鴛賴。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

16、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：籟丛妈羥为贍债蛏练淨。T/mi n0123456789H/cm00.674.765.967.638.308.839.399.8310.05T/mi n10111213141516171819H/cm10.110.410.510.610.710.710.810.810.810.860032639

17、99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：預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。T/mi n00.371.372.373.374.375.376.377.37H/cm01.172.163.163.835.175.305.836.50T/mi n8.379.3710.3711.3712.3713.3714.3715.3716.37H/cm7.037.547.838.368.509.039.179.509.76T/mi n17.37

18、18.3719.3720.3721.3722.3723.3724.3725.37H/cm9.8310.1010.3610.5010.8410.8410.8410.8410.842. 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 Pnom =10kW， Unom =220V， I nom =53.5A， n nom =1500r/min，电枢电阻Ra =0.31门，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Tm =0.042s，测速反馈系数匕=0.0067v/rpm，系统的电流反馈系数ki =0.72v/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