自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)--基于自動(dòng)控制理論的性能分析與校正

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　( 2011-- 2012年度 第 1 學(xué)期)</p><p>　　名 稱： 《自動(dòng)控制理論》課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目：基于自動(dòng)控制理論的性能分析與校正</p><p>　　院 系： 動(dòng)力工程系

2、 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>

3、;　　設(shè)計(jì)周數(shù)： </p><p>　　成 績(jī)： </p><p>　　日期： 2012 年 1 月 6 日</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的目的與要求</p><p>　　本課程為《自動(dòng)控制理論A》的課程設(shè)計(jì)，是課堂的深化。設(shè)置《自

4、動(dòng)控制理論A》課程設(shè)計(jì)的目的是使MATLAB成為學(xué)生的基本技能，熟悉MATLAB這一解決具體工程問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)軟件，能熟練地應(yīng)用MATLAB軟件解決控制理論中的復(fù)雜和工程實(shí)際問(wèn)題，并給以后的模糊控制理論、最優(yōu)控制理論和多變量控制理論等奠定基礎(chǔ)。作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生很有必要學(xué)會(huì)應(yīng)用這一強(qiáng)大的工具，并掌握利用MATLAB對(duì)控制理論內(nèi)容進(jìn)行分析和研究的技能，以達(dá)到加深對(duì)課堂上所講內(nèi)容理解的目的。通過(guò)使用這一軟件工具把學(xué)生從繁瑣枯燥的計(jì)算負(fù)擔(dān)中解脫

5、出來(lái)，而把更多的精力用到思考本質(zhì)問(wèn)題和研究解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題上去。</p><p>　　通過(guò)此次計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下的基本要求：</p><p>　　1.能用MATLAB軟件分析復(fù)雜和實(shí)際的控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.能用MATLAB軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標(biāo)要求。</p><p>　　3.能靈活應(yīng)用MATLAB的C

6、ONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真軟件，分析系統(tǒng)的性能。</p><p><b>　　二、 主要內(nèi)容</b></p><p>　　1．前期基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括MATLAB系統(tǒng)要素，MATLAB語(yǔ)言的變量與語(yǔ)句，MATLAB的矩陣和矩陣元素，數(shù)值輸入與輸出格式，MATLAB系統(tǒng)工作空間信息，以及MATLAB的在線幫助功能等。</p>&

7、lt;p>　　2．控制系統(tǒng)模型，主要包括模型建立、模型變換、模型簡(jiǎn)化，Laplace變換等等。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，主要包括系統(tǒng)的各種響應(yīng)、性能指標(biāo)的獲取、零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響、高階系統(tǒng)的近似研究，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的求取。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)的根軌跡分析，主要包括多回路系統(tǒng)的根軌跡、零度根軌跡、純遲延系統(tǒng)根軌跡和控制系統(tǒng)

8、的根軌跡分析。</p><p>　　5．控制系統(tǒng)的頻域分析，主要包括系統(tǒng)Bode圖、Nyquist圖、穩(wěn)定性判據(jù)和系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。</p><p>　　6．控制系統(tǒng)的校正，主要包括根軌跡法超前校正、頻域法超前校正、頻域法滯后校正以及校正前后的性能分析。</p><p><b>　　三、 進(jìn)度計(jì)劃</b></p><p>

9、<b>　　四、 設(shè)計(jì)成果要求</b></p><p>　　上機(jī)用MATLAB編程解題，從教材或參考書中選題，控制系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡分析法、控制系統(tǒng)的頻域分析法每章選擇兩道題。第六章校正選四道，其中根軌跡超前校正一道、根軌跡滯后校正一道、頻域法超前校正一道、頻域法滯后校正一道。并針對(duì)上機(jī)情況打印課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)

10、報(bào)告包括題目、解題過(guò)程及程序清單和最后的運(yùn)行結(jié)果（曲線），課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論以及參考文獻(xiàn)。</p><p><b>　　五、 考核方式</b></p><p>　　《自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)》的成績(jī)?cè)u(píng)定方法如下： </p><p><b>　　根據(jù)</b></p><p>　　1．打印的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。&

11、lt;/p><p>　　2．獨(dú)立工作能力及設(shè)計(jì)過(guò)程的表現(xiàn)。</p><p>　　3．答辯時(shí)回答問(wèn)題的情況。</p><p>　　成績(jī)?cè)u(píng)分為優(yōu)、良、中、及格以及不及格5等。</p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>

12、;<p>　　2012年1 月6日</p><p><b>　　六、設(shè)計(jì)正文</b></p><p><b>　　控制系統(tǒng)模型</b></p><p>　　1、已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，在MATLAB環(huán)境下獲得其連續(xù)傳遞函數(shù)形式模型。已知系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為，在MATLAB環(huán)境下獲得其采樣時(shí)間為7s的傳遞函數(shù)形式

13、模型。</p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　z=[-1 -3];</p><p>　　p=[-3 -5 -7];</p><p><b>　　k=4;</b></p>

14、<p>　　G1=zpk(z,p,k)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果為：</b></p><p><b>　　程序如下</b></p><p>　　z=[-1 -3];</p><p>　　p=[-3 -5 -7];</p><p><b>　　

15、k=4;</b></p><p><b>　　Ts=7;</b></p><p>　　G2=zpk(z,p,k,Ts)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下：</b></p><p>　　2、如圖所示為控制系統(tǒng)框圖，求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>&l

16、t;b>　　解：</b></p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　>>G1=tf([1],[1 1]);</p><p>　　G2=tf([1],[0.5 1]);</p><p>　　G3=tf([3],[1 0]);</p><p>

17、;　　H=tf([2],[2 1]);</p><p><b>　　Gb=G1+G2;</b></p><p><b>　　Gc=G3*Gb;</b></p><p>　　GH=feedback(Gc,H)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下：</b></p>

18、<p>　　控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法</p><p>　　1、某控制系統(tǒng)如圖所示。</p><p>　　當(dāng)τ=0時(shí)，求系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線；</p><p>　　當(dāng)τ=0.3時(shí)，求系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)曲線</p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　當(dāng)τ=

19、0時(shí)，，。</b></p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　>>num=[10];</p><p>　　den=[1 0 -1];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p><b>　　H=1;</b&

20、gt;</p><p>　　GH=feedback(G,H)</p><p>　　運(yùn)行后，得負(fù)反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：</p><p>　　單位階躍響應(yīng)曲線，程序代碼如下：</p><p><b>　　>>syms s</b></p><p>　　ezplot(ilaplace(10/

21、s/(s^2+9)),[0,10]);</p><p>　　set(gca,'ytick',-0.2:0.2:2.4)</p><p><b>　　grid</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下：</b></p><p>　?。?）當(dāng)τ=0.3時(shí)，，。</p>

22、<p>　　>>num=[10];</p><p>　　den=[1 0 -1];</p><p>　　G=tf(num,den);</p><p>　　H=tf([0.3 1],[1]);</p><p>　　GH=feedback(G,H)</p><p>　　運(yùn)行后，得負(fù)反饋控制系統(tǒng)的傳

23、遞函數(shù)：</p><p><b>　　沖激響應(yīng)曲線：</b></p><p><b>　　>> syms s</b></p><p>　　ezplot(ilaplace(10/(s^2+3*s+9)),[0 6]);</p><p>　　axis([0 6 -1.5 2]);</p

24、><p>　　set(gca, 'ytick',-1.5:.3:2);</p><p>　　title('\tau=0.3 沖激響應(yīng)曲線');</p><p><b>　　grid</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下：</b></p>&

25、lt;p>　　2、已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，利用LTIView繪制單位階躍響應(yīng)曲線并得到相關(guān)性能指標(biāo)。</p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　G=tf(conv([3],[0.5 1]),conv([1 0],conv([1 1],[

26、0.25 1])));</p><p>　　GH=feedback(G,1)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下</b></p><p>　　打開(kāi)LTIView，對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行分析如下：</p><p><b>　　控制系統(tǒng)的根軌跡法</b></p><p>　　1、已知

27、開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：繪制此控制系統(tǒng)的根軌跡圖。</p><p><b>　　解：</b></p><p>　　繪制根軌跡圖，程序如下：</p><p>　　>>G=tf(1,conv([1 0],[1 5 13]));</p><p>　　[z,p,k]=zpkdata(G,'v')</p&g

28、t;<p>　　rlocus(G);</p><p>　　axis equal;</p><p>　　axis([-8 4 -8 8]);</p><p>　　set(findobj('marker','x'),'markersize',12);</p><p>　　set(fin

29、dobj('marker','o'),'markersize',12);</p><p>　　運(yùn)行后，開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)如下圖</p><p>　　分析該系統(tǒng)得到的系統(tǒng)根軌跡圖</p><p>　　2、已知開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制此控制系統(tǒng)的根軌跡圖。</p><p><b>　　解：</b

30、></p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　G=tf([1 3],conv([1 0],[1 2]));</p><p>　　[z,p,k]=zpkdata(G,'v')</p><p>　　rlocus(G);</p><p>　　axis

31、equal;</p><p>　　set(findobj('marker','x'),'markersize',12);</p><p>　　set(findobj('marker','o'),'markersize',12);</p><p><b>　　運(yùn)行

32、后，結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　根軌跡圖如下：</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的頻域特性法</p><p>　　1、繪制二階環(huán)節(jié)的伯德圖，其中=0.8， =0.1,0.5,1，1.5,2。</p><p><b>　　解：</b></p><

33、p><b>　　程序代碼如下</b></p><p>　　>>w=[0,logspace(-2,2,200)];</p><p><b>　　wn=0.8;</b></p><p>　　for zeta=[0.1 0.5 1 1.5 2]</p><p>　　G=tf([wn*wn

34、],[wn^2 2*zeta*wn wn*wn]);</p><p>　　bode(G,w);</p><p><b>　　hold on;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如圖所示：</b></p><

35、;p>　　2、已知一控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，求當(dāng)放大系數(shù)K不斷變大時(shí)，對(duì)此系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響</p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　>>for K=0.3:0.4:1.5</p><p>　　G=tf(K,[5

36、 3 1]);</p><p>　　nyquist(G);</p><p><b>　　hold on;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果如下</b></p><p>　　可以看出隨K的增大，該系統(tǒng)

37、的Nyquist曲線向外擴(kuò)展，但不影響穩(wěn)定性。</p><p><b>　　頻域法超前校正</b></p><p><b>　　頻域法滯后校正</b></p><p><b>　　根軌跡超前校正</b></p><p><b>　　根軌跡滯后校正</b>&

38、lt;/p><p>　　三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論</p><p>　　通過(guò)本次自動(dòng)控制理論實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)，使我鞏固了原有的理論知識(shí)，培養(yǎng)了我應(yīng)用所學(xué)只是和技能來(lái)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。使理論與實(shí)際相結(jié)合，更加深了我對(duì)自動(dòng)控制這門課程的理解和掌握，對(duì)自動(dòng)控制原理的控制系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡分析法、控制系統(tǒng)的頻域分析法及系統(tǒng)的校正有了更深層次的理解。</p>

39、<p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我拓寬了知識(shí)面，鍛煉了能力，綜合素質(zhì)得到較大提高，同時(shí)增加了MATLAB的認(rèn)識(shí)與軟件的操作技巧。今后我會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)有關(guān)自控這方面知識(shí)，不斷擴(kuò)充自己的專業(yè)知識(shí)。</p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 于希寧, 孫建平自動(dòng)控制原理. 中國(guó)電力出版社, 第二版. 2009年7月</p