自動控制課程設計--基于matlab軟件的自動控制系統(tǒng)仿真

1、<p>　　《 自動控制原理 》課程設計</p><p><b>　　說 明 書</b></p><p>　　專業(yè)名稱： 電氣自動化技術 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p&

2、gt;<p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　日期： 2013.5.27-2013.6.7 </p><p>　　自動控制原理 課程設計評閱書</p><p><b>　　摘 要&

3、lt;/b></p><p>　　本次課程設計是用MATLAB進行仿真實驗, MATLAB 是一種用于數(shù)值計算、可視化及編程的高級語言和交互式環(huán)境。使用 MATLAB，可以分 析數(shù)據(jù)，開發(fā)算法，創(chuàng)建模型和應用程序。</p><p>　　MATLAB開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的MATLAB函數(shù)和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個集成的 用戶工作空間，允許用戶輸

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

5、</p><p>　　2 仿真過程……………………………………………………………………2</p><p>　　2.1 控制系統(tǒng)建模………………………………………………………2</p><p>　　2.2 線性系統(tǒng)時域分析…………………………………………………3</p><p>　　2.3 線性系統(tǒng)根軌跡分析………………………………………………

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

7、……………8</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………9</p><p><b>　　1 課題描述</b></p><p>　　MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與

8、分析等領域。</p><p>　　MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學函數(shù)庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應用程序接口（API）五大部分構成。用此軟件可以對信號和圖像、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量等進行仿真，以解決抽象的問題。</p><p>　　用MATLAB對控制系統(tǒng)建模、線性系統(tǒng)時域分析、線性系統(tǒng)根軌跡分析、線性系統(tǒng)頻域分析、線性系統(tǒng)

9、校正、Simulink進行仿真，在仿真過程中對自動控制系統(tǒng)的基本要求可以歸結為三個字：穩(wěn)、準、快。穩(wěn)，既穩(wěn)定性，是反映系統(tǒng)在在受到擾動后恢復平衡狀態(tài)的能力，是對自動控系統(tǒng)的最基本的要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能使用的。準，既準確性，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)對其期望值的跟蹤能力?？?，既快速性，是指系統(tǒng)的瞬態(tài)過程既要平穩(wěn)，又要快速。</p><p>　　用Si

10、mulink進行校正的，系統(tǒng)設計要求以時域指標給出，所以本系統(tǒng)校正采用了根軌跡校正法。由于主導極點在原根軌跡的左側，因此選用的是根軌跡超前校正設計的幾何法。在使用MATLAB進行了校正之后，又使用Simulink進行了系統(tǒng)模型建立和仿真。通過EDA工具Tina Pro進行實際電路的搭建與運行，證明校正方法在實際系統(tǒng)中是可行的和有效的。</p><p><b>　　2 設計過程</b><

11、/p><p>　　2.1 控制系統(tǒng)建模</p><p>　　設某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)學運算符建立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 線性系統(tǒng)時域分析</p><p>　　二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為</p><p>　　當系統(tǒng)的輸入信號是幅值為1，周期為8s的方波時，繪制系統(tǒng)的輸出響應曲線。</p><p>　　解：運行下面程序，可得到如圖響應曲線。</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 線性系統(tǒng)根軌跡分析</p><p>　　負反饋系統(tǒng)的開環(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)無超調的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、運行結果：K=1.8918 2.0000 19.9899</p><p>　　2.4 線性系統(tǒng)頻域分析</p><p>　　系統(tǒng)的開環(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。</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>　　運行結果：</b></p><p>　　Gm =1.1433 Pm =7.1688 Wcg =1.7323 Wcp =1.6541</p>

18、<p>　　2.5 線性系統(tǒng)校正</p><p>　　設被控對象的傳遞函數(shù)為</p><p>　　設計要求： =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>　　運行結果：</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>　　運行結果：</b></p><p>　　gm =3.1914，pm = 45.0001，wcg =27.7398，wcp =14.0000</p><p>　　3 Simulink仿真 </p><p>

23、;　　已知單位負反饋二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　G(s)= </b></p><p>　　繪制單位階躍響應的Simulink的結構圖</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　此次課程設計給了我一次實際操作鍛煉進行仿真練習的機會，離開了課堂嚴謹?shù)沫h(huán)境

24、，我們感受到了獨立思考的氣氛。只憑著腦子的思考、捉摸是不能完成實際工作的，只有在擁有科學知識體系的同時，熟練掌握實際能力和不斷積累，才能把知識靈活、有效的運用到實際工作中。這對于我們仿真能力的提高有很大的幫助。</p><p>　　在完成課程設計的這段時間，我們收獲了很多很多東西，在仿真過程中接受鍛煉，提高自己編程的能力，積累相關經(jīng)驗。作為一名大學生，時間和理論相結合顯得尤為重要，而仿真實訓直接提供了這個橋梁，他

25、讓我們吧從書本上學到的東西加以運用，同時也讓我們學到了從書本上學不到的東西。身為大學生的我們經(jīng)歷了十幾年的理論學習，不止一次的被告知理論與時間是有差距的，但我們一直很少有機會來驗證這句話的實際差距到底有多少。</p><p>　　這次課程設計的仿真，做了很多次都不成功，開始著手與對編程的學習，遇到不會的就去問老師和同學，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了，經(jīng)過這么多的學習，慢慢的完成了這

26、次實訓的課題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 胡壽松，自動控制原理簡明教程（第二版），科學出版社，2009</p><p>　　[2] 趙廣元，MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐，北京航空航天大學出版社，2009</p><p>　　[3]鄭阿奇，曹戈. MATLAB實用教程【M】