自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)--基于matlab軟件的自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真

1、<p>　　《 自動(dòng)控制原理 》課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　說(shuō) 明 書(shū)</b></p><p>　　專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 電氣自動(dòng)化技術(shù) </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p&

2、gt;<p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　日期： 2013.5.27-2013.6.7 </p><p>　　自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)評(píng)閱書(shū)</p><p><b>　　摘 要&

3、lt;/b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn), MATLAB 是一種用于數(shù)值計(jì)算、可視化及編程的高級(jí)語(yǔ)言和交互式環(huán)境。使用 MATLAB，可以分 析數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)算法，創(chuàng)建模型和應(yīng)用程序。</p><p>　　MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境是一套方便用戶(hù)使用的MATLAB函數(shù)和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶(hù)接口。它是一個(gè)集成的 用戶(hù)工作空間，允許用戶(hù)輸

4、入輸出數(shù)據(jù)，并提供了M文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間和在線(xiàn)幫助文檔</p><p>　　關(guān)鍵詞： 仿真;模塊;Simulink;響應(yīng)MATLAB,</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 課題描述……………………………………………………………………1

5、</p><p>　　2 仿真過(guò)程……………………………………………………………………2</p><p>　　2.1 控制系統(tǒng)建?！?</p><p>　　2.2 線(xiàn)性系統(tǒng)時(shí)域分析…………………………………………………3</p><p>　　2.3 線(xiàn)性系統(tǒng)根軌跡分析………………………………………………

6、4</p><p>　　2.4 線(xiàn)性系統(tǒng)頻域分析…………………………………………………5</p><p>　　2.5 線(xiàn)性系統(tǒng)校正………………………………………………………6</p><p>　　3 Simulink仿真………………………………………………………………7</p><p>　　總結(jié)………………………………………………………………

7、……………8</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………9</p><p><b>　　1 課題描述</b></p><p>　　MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與

8、分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、MATLAB語(yǔ)言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應(yīng)用程序接口（API）五大部分構(gòu)成。用此軟件可以對(duì)信號(hào)和圖像、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量等進(jìn)行仿真，以解決抽象的問(wèn)題。</p><p>　　用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)建模、線(xiàn)性系統(tǒng)時(shí)域分析、線(xiàn)性系統(tǒng)根軌跡分析、線(xiàn)性系統(tǒng)頻域分析、線(xiàn)性系統(tǒng)

9、校正、Simulink進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求可以歸結(jié)為三個(gè)字：穩(wěn)、準(zhǔn)、快。穩(wěn)，既穩(wěn)定性，是反映系統(tǒng)在在受到擾動(dòng)后恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，是對(duì)自動(dòng)控系統(tǒng)的最基本的要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能使用的。準(zhǔn)，既準(zhǔn)確性，是指系統(tǒng)在平衡工作狀態(tài)下其輸出量與其期望值的距離，既被控量偏離其期望值的程度，反映了系統(tǒng)對(duì)其期望值的跟蹤能力?？?，既快速性，是指系統(tǒng)的瞬態(tài)過(guò)程既要平穩(wěn)，又要快速。</p><p>　　用Si

10、mulink進(jìn)行校正的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求以時(shí)域指標(biāo)給出，所以本系統(tǒng)校正采用了根軌跡校正法。由于主導(dǎo)極點(diǎn)在原根軌跡的左側(cè)，因此選用的是根軌跡超前校正設(shè)計(jì)的幾何法。在使用MATLAB進(jìn)行了校正之后，又使用Simulink進(jìn)行了系統(tǒng)模型建立和仿真。通過(guò)EDA工具Tina Pro進(jìn)行實(shí)際電路的搭建與運(yùn)行，證明校正方法在實(shí)際系統(tǒng)中是可行的和有效的。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)過(guò)程</b><

11、/p><p>　　2.1 控制系統(tǒng)建模</p><p>　　設(shè)某SISO系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為</p><p>　　試建立系統(tǒng)的ZPK模型。</p><p>　　解：用s因子和數(shù)學(xué)運(yùn)算符建立TF模型。</p><p>　　>> s=zpk('s');</p><p>　　>

12、;> H=5*(s+2)/(s*(s^2+2*s+10))</p><p>　　Zero/pople/gain:</p><p><b>　　5 (s+2)</b></p><p>　　------------------</p><p>　　s (s^2 + 2s + 10)</p><p&

13、gt;　　2.2 線(xiàn)性系統(tǒng)時(shí)域分析</p><p>　　二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是幅值為1，周期為8s的方波時(shí)，繪制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)。</p><p>　　解：運(yùn)行下面程序，可得到如圖響應(yīng)曲線(xiàn)。</p><p>　　sys=tf([16],[1,3,16]);</p><p>　　[

14、u,t]=gensig('sqdahe',8,32,0.1);</p><p>　　lsim(sys,u,t),grid on</p><p>　　2.3 線(xiàn)性系統(tǒng)根軌跡分析</p><p>　　負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　控制系統(tǒng)的根軌跡圖，并求使系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍和使系統(tǒng)無(wú)超調(diào)的K值范圍。</p&

15、gt;<p>　　解：sys=tf(1,[1,4,5,0])</p><p>　　rlocus(sys)</p><p>　　[x,y]=ginput(3);</p><p><b>　　p=x+i*y</b></p><p>　　K=rlocfind(s,p)</p><p>　　

16、運(yùn)行結(jié)果：K=1.8918 2.0000 19.9899</p><p>　　2.4 線(xiàn)性系統(tǒng)頻域分析</p><p>　　系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　求系統(tǒng)的幅值欲度和相角裕度，并求其閉環(huán)階躍響應(yīng)。</p><p>　　解：G=tf(3.5,[1,2,3,2]);G_close=feedback(G,1);</

17、p><p>　　[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G)</p><p>　　step(G_close),grid on</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　Gm =1.1433 Pm =7.1688 Wcg =1.7323 Wcp =1.6541</p>

18、<p>　　2.5 線(xiàn)性系統(tǒng)校正</p><p>　　設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為</p><p>　　設(shè)計(jì)要求： =10， =45 ， =14rad/s，試確定PD控制器的參數(shù)。</p><p>　　解：用超前校正函數(shù)fa_lead，運(yùn)行如下程序。</p><p>　　t=[0:0.01:2];w=logspace(-1,2);&

19、lt;/p><p>　　KK=5;Pm=45;wc=14;</p><p>　　ng0=KK*[400];dg0=[1,30,200,0];g0=tf(ng0,dg0);</p><p>　　[ngc,dgc]=fa_lead(ng0,dg0,Pm,wc,w);</p><p>　　gc=tf(ngc,dgc)</p><p&

20、gt;<b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer function:</p><p>　　0.2271 s + 1</p><p>　　-------------</p><p>　　0.03811 s + 1</p><p>　　g0c=tf(g0*gc);</p

21、><p>　　b1=feedback(g0,1);b2=feedback(g0c,1);</p><p>　　step(b1,'r--',b2,'b',t);grid on</p><p>　　figure,bode(g0,'r--',g0c,'b',w);grid on</p><p&

22、gt;　　[gm,pm,wcg,wcp]=margin(g0c)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　gm =3.1914，pm = 45.0001，wcg =27.7398，wcp =14.0000</p><p>　　3 Simulink仿真 </p><p>

23、;　　已知單位負(fù)反饋二階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　G(s)= </b></p><p>　　繪制單位階躍響應(yīng)的Simulink的結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)給了我一次實(shí)際操作鍛煉進(jìn)行仿真練習(xí)的機(jī)會(huì)，離開(kāi)了課堂嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境

24、，我們感受到了獨(dú)立思考的氣氛。只憑著腦子的思考、捉摸是不能完成實(shí)際工作的，只有在擁有科學(xué)知識(shí)體系的同時(shí)，熟練掌握實(shí)際能力和不斷積累，才能把知識(shí)靈活、有效的運(yùn)用到實(shí)際工作中。這對(duì)于我們仿真能力的提高有很大的幫助。</p><p>　　在完成課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間，我們收獲了很多很多東西，在仿真過(guò)程中接受鍛煉，提高自己編程的能力，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。作為一名大學(xué)生，時(shí)間和理論相結(jié)合顯得尤為重要，而仿真實(shí)訓(xùn)直接提供了這個(gè)橋梁，他

25、讓我們吧從書(shū)本上學(xué)到的東西加以運(yùn)用，同時(shí)也讓我們學(xué)到了從書(shū)本上學(xué)不到的東西。身為大學(xué)生的我們經(jīng)歷了十幾年的理論學(xué)習(xí)，不止一次的被告知理論與時(shí)間是有差距的，但我們一直很少有機(jī)會(huì)來(lái)驗(yàn)證這句話(huà)的實(shí)際差距到底有多少。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)的仿真，做了很多次都不成功，開(kāi)始著手與對(duì)編程的學(xué)習(xí)，遇到不會(huì)的就去問(wèn)老師和同學(xué)，在別人的幫助和提示下，我完成了課題的編程并將仿真圖仿真出來(lái)了，經(jīng)過(guò)這么多的學(xué)習(xí)，慢慢的完成了這

26、次實(shí)訓(xùn)的課題。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 胡壽松，自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程（第二版），科學(xué)出版社，2009</p><p>　　[2] 趙廣元，MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐，北京航空航天大學(xué)出版社，2009</p><p>　　[3]鄭阿奇，曹戈. MATLAB實(shí)用教程【M】