自动控制原理课程设计实习

1、北华大学 自动控制原理课程设计实习姓名：郭家林 班级：测控12-1学号：08号院系：电气信息工程学院实习日期：2014年6月9日至6月13日 目 录一、 实习目的和任务.P3二、 软件介绍.P4三、 校正前系统分析.P5.四、 理论校正思想.P11五、 利用MATLAB进行设计过程.P12六、 校正后系统分析.P15七、 失误及总结 P17八、 参考文献P18实习目的：1进一步掌握自动控制原理课程所学的理论知识。 2熟悉几种常用系统的校正方法及其利用MATLAB进行仿真。 3了解控制系统校正的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。 4培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。 5作为课程实

2、验与毕业设计的过度，课程设计为两者提供了一个桥梁。实习任务：电动机转速控制系统的开环传递函数为G0(s)=20/s(0.05s+1)(0.5s+1),试设计一个校正装置，使校正后的系统的相位裕量=45，幅值裕量GM=10dB。3软件介绍：MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。MATLAB工作界面是由美国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

3、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算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科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

4、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，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，用户直接进行下载就可以用。MATLAB 产品系列重要功能：MATLAB: MATLAB 语言的单元测试框架Trading Toolbox: 一款用于访问价格并将订单发送到交易系统的新产品Financial Instruments Toolbox: 赫尔-怀特、线性高斯和 LIBOR

5、 市场模型的校准和 Monte Carlo 仿真Image Processing Toolbox: 使用有效轮廓进行图像分割、对 10 个函数实现 C 代码生成，对 11 个函数使用 GPU 加速Image Acquisition Toolbox: 提供了用于采集图像、深度图和框架数据的 Kinect for Windows传感器支持4Statistics Toolbox: 用于二进制分类的支持向量机 (SVM)、用于缺失数据的 PCA 算法和 Anderson-Darling 拟合优度检验Data Acquisition Toolbox: 为 Digilent Analog Discover

6、y Design Kit 提供了支持包Vehicle Network Toolbox: 为访问 CAN 总线上的 ECU 提供 XCP 支持Simulink 产品系列重要功能Simulink: Simulation Performance Advisor，链接库模块的封装，以及通过逻辑表达式控制有效变量Simulink: 除 LEGO MINDSTORMS NXT、Arduino、Pandaboard 和 Beagleboard 外，还为 Raspberry Pi 和 Gumstix Overo 硬件提供了内置支持SimRF: 针对快速仿真和模型加载时间的电路包络求解器SimMechanics

7、: 发布了用于从 CAD 和其他系统导入模型的 XML 架构Simulink Design Verifier: 数组超出边界检查MATLAB 和 Simulink 的系统工具箱Communications System Toolbox: Sphere 解码器和 Constellation 框图系统对象Computer Vision System Toolbox: Viola-Jones 对象检测培训，FREAK 特征提取和其他新函数DSP System Toolbox: 频谱分析仪和逻辑分析示波器，以及时域示波器的触发Phased Array System Toolbox: 极化支持、数组锥化

8、以及针对传感器数组分析、波形分析和雷达方程计算的应用程序代码生成和实现Simulink Coder: 减少了从 Stateflow 调用的 Simulink 函数的数据副本Fixed-Point Designer: 一款结合了 Fixed-Point Toolbox 和 Simulink Fixed Point 功能的新产品HDL Verifier: 从 MATLAB 生成 HDL 测试工作台5校正前系统的分析：校正前系统的频率特性：利用MATLAB进行编程如下： n0=20;d0=conv(0.5 1 0,0.05 1);gm0,pm0,wcg0,wcp0=margin(n0,d0)gm0

9、= 1.1000pm0 = 1.5763wcg0 = 6.3246wcp0 =6.0291幅值裕量为1.1000，相位裕量为1.5763，幅值穿越频率6.3246，相位穿越频率6.0291，相位裕量和幅值裕量几乎约等于0很明显不满足要求。校正前的系统的阶跃响应：利用MATLAB编程 n0=20;d0=conv(0.5 1 0,0.05 1);n0,d0=cloop(n0,d0);t=0:0.1:100;y,x,t=step(n0,d0,t);plot(t,y)6图像如下：超调量为92%由图中可以看出K=20时,系统动态指标很差，调节时间快接近60s才趋于稳定。校正前系统的伯德图：利用MATLA

10、B编程： n0=20;d0=conv(0.5 1 0,0.05 1); bode(n0,d0)图像如下：7校正前系统的奈氏图：利用MATLAB编程 n0=20;d0=conv(0.5 1 0,0.05 1);nyquist(n0,d0)图像如下：8校正前系统的根轨迹：利用MATLAB编程 n0=1;d0=conv(0.5 1 0,0.05 1);rlocus(n0,d0),k,poles=rlocfind(n0,d0)Select a point in the graphics windowselected_point = 0 + 6.3354ik =922.0755poles =-22.00

11、58 0.0029 + 6.3346i 0.0029 - 6.3346i由此可见，根轨迹与虚轴交点处的增益K=22，这说明当K22时，系统不稳定。10校正前系统的结构图：校正前系统的仿真图：可以看出系统的快速性比较差，达到稳态时间比较长理论校正思想（滞后校正）：未校正系统的的幅值穿越频率wc0=6.32rad/s,r0约等于0，根据要求的相位裕量可确定校正后的相位裕量为r=r+(515)=55，而wc=+(-180)=-90-arctan0.5wc-arctan0.05wc,算出校正后幅值穿越频率11wc=1.2253rad/s。由于在该频率处，未校正系统的对数幅值为L0(wc)=20lg(2

12、0/wc)=-20lgb,算出b=0.06125,又1/bT=0.2s-1,则T=89.33s，于是求得滞后校正环节的传递函数Gc(s)=5s+1/89.33s+1,校正后系统的开环传递函数为Gk(s)=G0(s)*Gc(s)=100s+20/s(0.5s+1)(0.05s+1)(89.33s+1)利用MATLAB进行设计： numo=20;deno=conv(0.5 1 0,0.05 1); Gm1,Pm1,Wcg1,Wcp1=margin(numo,deno); r=45;w=logspace(-3,0); mag1,phase1=bode(numo,deno,w); for epsilo

13、n=5:15r0=(-180+r+epsilon);i1,ii=min(abs(phase1-r0);wc=w(ii);alpha=mag1(ii);T=5/wc;numc=T,1;denc=alpha*T,1;num,den=series(numo,deno,numc,denc);Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den);if(Pm=r);break;end;12end printsys(numc,denc);printsys(num,den); num/den = 5 s + 1 - 89.3311 s + 1num/den = 100 s + 20 - 2.2333 s

14、4 + 49.1571 s3 + 89.8811 s2 + s得到校正后的开环传递函数： 100s+20 - s4+49.1571s3+89.8811s2+s 校正装置的开环传递函数： 5 s + 1 - 89.3311 s + 113校正后系统的分析：校正后的系统的频率特性为： num=100 20;den=conv(0.5 1 0,conv(0.05 1,83.33 1); gm0,pm0,wcg0,wcp0=margin(num,den)gm0 = 16.4361pm0 = 48.7842wcg0 = 5.9887wcp0 =1.0738校正后系统的幅值裕量为16.4，相位裕量为48.8

15、，幅值穿越频率为6，相位穿越频率为1.1，故满足要求。校正后系统的阶跃响应：num=100 20;den=conv(0.5 1 0,conv(0.05 1,83.33 1);num,den=cloop(num,den);t=0:0.1:10;y,x,t=step(num,den,t);plot(t,y)14校正后系统的伯德图为： num=100 20;den=conv(0.5 1 0,conv(0.05 1,83.33 1); bode(num,den)校正后系统的伯德图：15校正后系统的结构图：仿真后的图像：16失误及总结：总的来说这次实习挺简单的，主要是考察我们对理论知识的掌握程度及其对MATLAB的引用，当我拿到这次实习的题目后，首先对校正前系统进行了理论分析，利用MATLAB编程求出了校正前系统的各项性能指标（幅值裕量，相位裕量，幅值穿越角频率，相位穿越角频率），然后画了校正前系统的伯德图，奈氏图，根轨迹及单位阶跃响应，然后结合理论知识分析计算之后得到校正装置的传递函数然后在对校正后的装置进行分析，最后对校正前和校正后的系统进行simulink仿真对比的结果发现校正后系统的快速性提高了。其中在对校正后的装置进行仿真的时候发现输出波形不对且不是稳定的，然后检查MATLAB的命令窗口发17现有很多警告，于是发现选的模