2017自动控制原理课程设计

1、1，课程设计的目的，课程设计的进度，位置伺服系统的数学模型，一阶线性倒立摆问题，第2章，连续系统的数学模型，第3章，时域响应，第4章，系统的根轨迹，第5章，用MATLAB对系统进行频域分析，引入仿真工具Simulink，课程设计的要求说明和图纸，课程设计的目的， 自动控制原理课程设计是为了使学生能够理论联系实际，应用控制理论解决实际控制问题，修正系统，提出提高系统性能的方法和途径。 能够熟练运用MATLAB工具分析和设计控制系统。3、课程设计进度表、4、课程设计规范和图纸要求。设计完成后，按照学校课程设计工作规范中的“统一编写格式”编写课程设计报告，内容包括：设计题目、设计要求、设计方案、设计

2、原则、设计分析计算、模拟程序、模拟波形、结果分析、经验(多项)。课程设计报告打印在A4纸上(不少于12页)。得到了位置伺服系统的数学模型。任务是控制机械负载，并使其位置与输入手柄的位置相协调。6、位置伺服系统框图、7、各元件的微分方程：8，拉普拉斯变换：9在零的初始条件下，各元素的传递函数为：10。中间变量由每个元件的传递函数消除，系统的传递函数为：即扭矩系数()。长度为L、质量为M的单级倒立摆通过铰链链安装在质量为M的小车上。小车由电机驱动，在水平方向施加控制力，产生相对于参考坐标系的位移。需要建立系统线性数学模型的传递函数(以U为输入和输出)。对于一阶直线倒立摆问题，假设小车的瞬时位置是摆

3、中心在水平方向的瞬时位置，牛顿第二定律，即在垂直方向，惯性矩和重力矩是平衡的，并且，13，即：同时求解。2.1连续系统及其变换中常用的数学模型，1微分方程和传递函数的有理分式模型，可以用MATLAB语言分别定义的传递函数分子和分母的多项式系数向量方便地描述。例如，对于公式(2-2)，系统可以将传递函数的分子和分母的多项式系数向量定义为：16。示例2-1显示上述模型由MATLAB表示，并在工作空间中构建。解决方案，众所周知，系统的传递函数是用MATLAB表示上述模型。解：其MATLAB命令为：num=7*2，3；den=conv(conv(conv(conv(1，0，0，3，1)，1，2)，1，

4、2)，5，0，3，8)；Sys=tf(num，den)，Conv:多项式乘法函数，零极点增益模型。18，19，2传递函数，在MATLAB中，使用函数命令zpk()建立控制系统的零极点增益模型，或将传递函数模型转化为零极点增益模型。zpk()函数的调用格式为：sys=zpk(z，p，k)，函数返回的变量sys是连续系统的零极点增益模型。2-3众所周知，系统的传递函数用MATLAB表示。k=5；z=-20；p=0，-4.6，-1；Sys=zpk(z，p，k)结果：零/极点/增益：5 (s 20)-s (s4.6) (s 1)，解决方案：21，3。零极点增益模型被转换成p=-1，-2，-5；k=6；

5、num，den=zp2tf(z，p，k)；G=TF (num，den)，传递函数： 6s 18-s38217 s 10，结果：22，1。反馈连接：反馈，格式：num，7 s 10 Num2，den2，符号)，反馈连接，系统1的指定输出out1连接到系统2的输入，系统2的输出连接到系统1的指定输入inp1，从而形成闭环系统。当符号默认时，它默认为负反馈，即符号=-1。闭环单元反馈连接：cloop格式：numc，denc=cloop(num，den，sign)，即由传递函数表示的开环系统构成闭环系统，符号的含义同上。2.2求闭环系统的传递函数。23。【示例】图中显示了已知反馈系统的框图。试着找出系

6、统的传递函数。、24，n1=1；d1=1，0；g1=tf(n1，D1)；n2=0.4d2=0.5，1；g2=tf(n2，D2)；n3=1；d3=4，1；g3=tf(n3，D3)；n4=12，1；d4=6，1；h=tf(n4，D4)；g=g1 * g2 * g3Sys=反馈(g，h，-1)，传递函数： 2 . 4s 0 . 4-12s 429 3.1中连续系统模型的表示方法，连续系统的单位脉冲响应，连续系统的单位阶跃响应，控制系统稳定性分析的MATLAB实现，时域响应，系统单位阶跃响应的动态性能指标，系统的斜率响应，系统单位抛物线的输入响应。3.1中连续系统模型的表示方法，连续系统多项式模型，表

7、示方法，分子多项式num=b0，b1，bm-1，bm，分母多项式den=a0，a1，an-1，an，建立传递函数模型3360sys=TF (num，den)。27，连续系统零极点模型，表示方法标度系数为：k，分子为：z=-z1，-z2，-zm zm，分母为：p=-p1，- p2，-pn，建立零极点传递函数模型， ys=zpk(z，p，k)，模型变换为：num，den=zp2tf例1:求下列系统的单位脉冲响应，num=1.9691，29，30，3.3连续系统的单位阶跃响应。5.0395 den=1，0.5572，0.6106步长(num，den)，示例2:计算以下系统的单位步长响应，在ditor

8、/Debugger中输入程序，并在菜单中选择结果，31，32，3.4计算系统单位阶跃响应的动态性能指标，例3:计算下列系统的单位在，3.4.1的ditor/Debugger输入程序中，找到系统单位阶跃响应的性能指标程序，33，num=22.68den=1，9.2，7.36，5.376t=0:0.01:20 step(num，den，t) y，x，t . t)max y=0结束TP=(n-1)* 0.01 y1=1.05 * yss y2=0.95 * yss I=2001，而如果y(i)=y1|y(i)=y2，则i0 I=I-1；m=I；结束，结束。34，ts=(m-1)*0.01标题(阶跃响

9、应)网格，maxy=4.9032 yss=4.2174 pos=16.2616% TP=4.6600 y1=4.4283 y2=4.0065 ts=6.7300，从调试菜单中选择结果。35，3.4.2使用MATLAB中的LTI查看器图形工具计算系统单位阶跃响应的性能指标。示例4图中显示了单位反馈系统框图，其中计算了系统的单位阶跃响应；并计算其性能指标。36，以实例4的系统为例，说明如何在MATLAB中使用LTI查看器来查找系统的各种性能指标。在MATLAB命令框中输入以下命令：37或运行m文件。38，系统的阶跃响应曲线，在实施例4中为39。MATLAB提示后，进入ltiview启动图形软件，显

10、示窗口如图所示。40，从文件下拉菜单中选择导入选项，选择要模拟的系统。在窗口中选择Lsys系统，用鼠标点击确定、41，在屏幕中点击鼠标右键，选择“特性”选项，然后选择“峰值时间”项，得到11.3步响应曲线中的峰值时间。42，43，系统：lsys峰值放大：1.35过冲(%): 34.9时间：11.3。44，在屏幕上单击鼠标右键并选择“特性”选项。然后选择“建立时间”、“上升时间”和“稳态”，阶跃响应曲线中的调整时间为36.3，上升时间为4.4，稳态值为1(稳态误差为0)。45岁。在本例中，通过单击“编辑”菜单并在弹出的下拉菜单中选择“查看器首选项”，阶跃响应的上升时间范围被设置为最终稳态值的09

11、0%，调整时间的误差范围为2%。，46，3.5要计算系统的单位斜率响应，示例5:要计算以下系统的单位斜率响应，请在、47、num=10den=1，4，8，10t=0:0.1:20绘图(2，1，1 Den，u，t)处输入ditor/Debugger程序，从“调试”菜单中选择结果，48，3.6找到系统的单位抛物线输入响应，示例6:在ditor/Debugger输入程序中找到以下系统的单位抛物线输入响应。49，num=8，8 den=1，5，12，16，8，0 0 t=0:0.1:20y=步长(num，den，t)绘图(2，1，1) y1=0.5 *功率(t，2)绘图(t，y，t，y1)网格，从调试

12、菜单中选择结果，50，3求解控制系统闭环特性方程的根，并判断所有根的实部是否小于零，可以很容易地用MATLAB中的函数根()来实现。例7已知系统的开环传递函数是：试着判断系统的稳定性。根据问题的含义，用根()函数给出了以下MATLAB程序段：k=100z=-2；p=0，-1，-20；n1，d1=zp2tf(z，p，k)；G=tf(n1，D1)；p=n1 d1根(p)，%运行结果：n1=0 0 100 200，D1=1 21 200；%运行结果：传递函数： 100s 200-S3 21s220s，%运行结果：p=1 21 120 200，ans=-12.8990-5.0000-3.1010在第4

13、章中，系统的根轨迹由MATLAB绘制，开环传递函数的零点和极点在0、52和4.1中。例1:了解系统的开环传递函数，找出系统开环零点和极点的位置，数=251；den=1 2 3；pzmap(num，den)；标题(极点-零点图)，分子多项式，分母多项式，求极点-零点函数，打印标题，53，4.2，绘制常规根轨迹，例2:了解系统的开环传递函数，绘制系统的根轨迹图，k=1 z=-0.5 p=0，-1，-2 n，d，num=1den=conv (conv (1，0，1，2.73)，1，2，2) r轨迹(num，den)标题，56，57，4.3，绘制具有阻尼比和固有振荡频率的网格，示例4:已知系统的开环传输，k=1 z=-0.5 p=0，-1，-2 n，d=zp2tf (z，p，k) r轨迹(n，d)的网格标题，绘制网格，58，59，4.4系统性能分析，示例，k=1 z=p=0，-1，-2 n，d=zp2tf (z，p，k) r轨迹(n，d) s网格k，p=rlocfind (n，d)，在十字光标处找到闭环极点，60，在图形窗口中选择一个点选定_点=-0.3223 0.5342i，k=0.9479 p=-2.3123-0.3438 0.5401 I-0.3438-0.5401 I，61，4.5根轨迹法用于判断系统及其实例的稳定性。例