自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計

1、<p>　　自動控制原理及系統(tǒng)仿 </p><p><b>　　真課程設(shè)計</b></p><p><b>　　學(xué) 號： </b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師： </b>

2、</p><p>　　學(xué) 院：機械與電子工程學(xué)院 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計要求.............................................................................1</p><p>　　設(shè)計報告的要求...

3、..............................................................1</p><p>　　題目及要求.........................................................................1</p><p>　?。ㄒ唬┳詣涌刂品抡嬗?xùn)練.....................

4、............................1</p><p>　　（二）控制方法訓(xùn)練.......................................................19</p><p>　?。ㄈ┛刂葡到y(tǒng)的設(shè)計...................................................23</p><

5、p>　　心得體會...........................................................................27</p><p>　　參考文獻...........................................................................28</p><p>　　自動控制原

6、理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計</p><p><b>　　一：設(shè)計要求：</b></p><p>　　完成給定題目中，要求完成題目的仿真調(diào)試，給出仿真程序和圖形。</p><p>　　自覺按規(guī)定時間進入實驗室，做到不遲到，不早退，因事要請假。嚴格遵守實驗室各項規(guī)章制度，實驗期間保持實驗室安靜，不得大聲喧嘩，不得圍坐在一起談與課程設(shè)計無關(guān)的空話，若違規(guī)，

7、則酌情扣分。</p><p>　　課程設(shè)計是考查動手能力的基本平臺，要求獨立設(shè)計操作，指導(dǎo)老師只檢查運行結(jié)果，原則上不對中途故障進行排查。</p><p>　　加大考查力度，每個時間段均進行考勤，計入考勤分數(shù)，按照運行的要求給出操作分數(shù)。每個人均要全程參與設(shè)計，若有1/3時間不到或沒有任何運行結(jié)果，視為不合格。</p><p>　　二：設(shè)計報告的要求：</p&

8、gt;<p><b>　　1.理論分析與設(shè)計</b></p><p>　　2.題目的仿真調(diào)試，包括源程序和仿真圖形。</p><p>　　3.設(shè)計中的心得體會及建議。</p><p><b>　　三：題目及要求</b></p><p>　　一）自動控制仿真訓(xùn)練</p>&

9、lt;p>　　1.已知兩個傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　?、僭贛ATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示；</p><p>　　MATLAB代碼：</p><p><b>　　num=[1]</b></p><p><b>　　den=[3 1]</b></p>

10、<p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　[E F]=zero(G)</p><p>　　[A B C D]=tf2ss(num,den)</p><p><b>　　num=[2]</b></p><p>　　den=[3 1 0]</p><p>　　G=tf(

11、num,den)</p><p>　　[E F]=zero(G)</p><p>　　[A B C D]=tf2ss(num,den)</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　num =2</b></p><p>　　den =3

12、1 0</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　---------</b></p><p><b>　　3 s^2 + s</b></p><p>　　E =

13、Empty matrix: 0-by-1</p><p>　　F = 0.6667</p><p>　　A =-0.3333 0</p><p>　　1.0000 0</p><p><b>　　B= 1</b></p><p><b>　　0<

14、/b></p><p>　　C = 0 0.6667</p><p><b>　　D = 0</b></p><p><b>　　num = 1</b></p><p>　　den =3 1</p><p>　　Transfer function:<

15、/p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　-------</b></p><p><b>　　3 s + 1</b></p><p>　　E =Empty matrix: 0-by-1</p><p><b>　　F =0.

16、3333</b></p><p>　　A = -0.3333</p><p><b>　　B =1</b></p><p><b>　　C =0.3333</b></p><p><b>　　D =0</b></p><p>　?、谠贛ATL

17、AB中分別求出通過反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系統(tǒng)模型。</p><p><b>　　MATLAB代碼：</b></p><p><b>　　num1=[1]</b></p><p>　　den1=[3 1]</p><p>　　G1=tf(num1,den1)</p><p>

18、<b>　　num2=[2]</b></p><p>　　den2=[3 1 0]</p><p>　　G2=tf(num2,den2)</p><p><b>　　G3=G1*G2</b></p><p><b>　　G4=G1+G2</b></p><p

19、><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　num1 =1</b></p><p>　　den1 =3 1</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　1</b></p><p>

20、<b>　　-------</b></p><p><b>　　3 s + 1</b></p><p><b>　　num2 =2</b></p><p>　　den2 = 3 1 0</p><p>　　Transfer function:</p>

21、<p><b>　　2</b></p><p><b>　　---------</b></p><p><b>　　3 s^2 + s</b></p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　2</b>&

22、lt;/p><p>　　-----------------</p><p>　　9 s^3 + 6 s^2 + s</p><p>　　Transfer function:</p><p>　　3 s^2 + 7 s + 2</p><p>　　-----------------</p><p>　

23、　9 s^3 + 6 s^2 + s</p><p>　　系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　MATLAB代碼：</b></p><p>　　num=[1 7 24 24]</p><p>　　den=[1 10 35 50 24]</p><p>　　G=tf(

24、num,den)</p><p><b>　　p=eig(G)</b></p><p>　　p1=pole(G)</p><p>　　r=roots(den)</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　num = 1 7 24 2

25、4</p><p>　　den = 1 10 35 50 24</p><p>　　Transfer function:</p><p>　　s^3 + 7 s^2 + 24 s + 24</p><p>　　---------------------------------</p><p>　

26、　s^4 + 10 s^3 + 35 s^2 + 50 s + 24</p><p>　　p =-4.0000</p><p><b>　　-3.0000</b></p><p><b>　　-2.0000</b></p><p><b>　　-1.0000</b></p

27、><p>　　p1=-4.0000</p><p><b>　　-3.0000</b></p><p><b>　　-2.0000</b></p><p><b>　　-1.0000</b></p><p>　　r =-4.0000</p>&

28、lt;p><b>　　-3.0000</b></p><p><b>　　-2.0000</b></p><p><b>　　-1.0000</b></p><p>　　單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制根軌跡圖，并求出與實軸的分離點、與虛軸的交點及對應(yīng)的增益。</p><

29、p><b>　　MATLAB代碼：</b></p><p><b>　　num=1</b></p><p>　　den=conv([1 2.73 0],[1 2 2])</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p>　　axis([-8 8 -8 8])</p>

30、;<p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　r=rlocus(num,den);</p><p>　　plot(r,'-')</p><p>　　axis([-8 8 -8 8])</p><p>　　gtext('x')</p>&l

31、t;p>　　gtext('x')</p><p>　　gtext('x')</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　num =1</b></p><p>　　den =1.0000 4.7300 7.4600

32、 5.4600 0</p><p>　　已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist,并能夠求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。</p><p><b>　　MATLAB代碼：</b></p><p><b>　　s=tf('s')</b></p><p>

33、;　　G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1))</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p><b>　　bode(G)</b></p><p><b>　　grid</b></p><p><b>　

34、　figure(2)</b></p><p>　　nyquist(G)</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　axis([-2 2 -5 5])</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer fu

35、nction:s</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　50 s + 5</b></p><p>　　-------------------------------</p><p>　　0.5 s^4 + 1.1 s^3 + 0.7 s^2 + s</p>&

36、lt;p>　　5．考慮如圖所示的反饋控制系統(tǒng)的模型，各個模塊為</p><p>　　，，，用MATLAB語句分別得出開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。</p><p><b>　　MATLAB代碼：</b></p><p><b>　　num=[4]</b></p><p>　　den=[1 2

37、3 4]</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　G0=feedback(G,1)</p><p><b>　　step(G0)</b></p><p>　　[y,t]=step(G0)</p><p><b>　　plot(t,y)</b><

38、;/p><p>　　num=[1 -3]</p><p><b>　　den=[1 3]</b></p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　G0=feedback(G,1)</p><p><b>　　step(G0)</b></p>&l

39、t;p>　　[y,t]=step(G0)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　num=[1]</b></p><p>　　den=[0.01 1]</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　G0=

40、feedback(G,1)</p><p><b>　　step(G0)</b></p><p>　　[y,t]=step(G0)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　num1=[4]</b></p><p&g

41、t;　　den1=[1 2 3 4]</p><p>　　G1=tf(num1,den1)</p><p>　　num2=[1 -3]</p><p>　　den2=[1 3]</p><p>　　G2=tf(num2,den2)</p><p><b>　　num3=[1]</b></p&

42、gt;<p>　　den3=[0.01 1]</p><p>　　G3=tf(num3,den3)</p><p><b>　　G=G1*G2</b></p><p>　　G0=feedback(G,G3)</p><p><b>　　step(G0)</b></p>&

43、lt;p>　　[y,t]=step(G0)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　figure(2)</b></p><p><b>　　step(G)</b></p><p>　　[y,t]=step(G)</p>

44、;<p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　num =4</b></p><p>　　den =1 2 3 4</p><p>　　Transfer func

45、tion:</p><p><b>　　4</b></p><p>　　---------------------</p><p>　　s^3 + 2 s^2 + 3 s + 4</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　4</b>

46、</p><p>　　---------------------</p><p>　　s^3 + 2 s^2 + 3 s + 8</p><p>　　y =1.0e+024 *0</p><p><b>　　……</b></p><p><b>　　-0.8394</b>&l

47、t;/p><p><b>　　2.3467</b></p><p><b>　　-3.8466</b></p><p><b>　　4.9206</b></p><p><b>　　-5.0901</b></p><p><b&g

48、t;　　3.9226</b></p><p>　　t = 0</p><p><b>　　1.4293</b></p><p><b>　　2.8586</b></p><p><b>　　4.2879</b></p><p>&

49、lt;b>　　5.7172</b></p><p><b>　　7.1465</b></p><p><b>　　8.5758</b></p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　.……</b></p>

50、<p><b>　　464.5216</b></p><p><b>　　465.9509</b></p><p><b>　　467.3802</b></p><p><b>　　468.8094</b></p><p>　　num =1

51、 -3</p><p><b>　　den =1 </b></p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　s - 3</b></p><p><b>　　-----</b></p><p><b>

52、;　　s + 3</b></p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　s - 3</b></p><p><b>　　-----</b></p><p><b>　　2 s</b></p><p>　

53、　y = 1.0e+004 *</p><p><b>　　num =1</b></p><p>　　den =0.0100 1.0000</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　1</b></p><p>　　------

54、----</p><p>　　0.01 s + 1</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　1</b></p><p>　　----------</p><p>　　0.01 s + 2</p><p><b>　　y

55、 =0</b></p><p><b>　　t=0</b></p><p><b>　　num1 =4</b></p><p>　　den1 =1 2 3 4</p><p>　　Transfer function:</p><p><

56、;b>　　4</b></p><p>　　---------------------</p><p>　　s^3 + 2 s^2 + 3 s + 4</p><p>　　num2 =1 -3</p><p>　　den2 =1 3</p><p>　　Transfer function:

57、</p><p><b>　　s - 3</b></p><p><b>　　-----</b></p><p><b>　　s + 3</b></p><p><b>　　num3 =1</b></p><p>　　den3 =0

58、.0100 1.0000</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　1</b></p><p>　　----------</p><p>　　0.01 s + 1</p><p>　　Transfer function:</p>&l

59、t;p><b>　　4 s - 12</b></p><p>　　-------------------------------</p><p>　　s^4 + 5 s^3 + 9 s^2 + 13 s + 12</p><p>　　Transfer function:</p><p>　　0.04 s^2 + 3

60、.88 s - 12</p><p>　　---------------------------------------------------</p><p>　　0.01 s^5 + 1.05 s^4 + 5.09 s^3 + 9.13 s^2 + 17.12 s</p><p>　　y = 1.0e+004 *</p><p><

61、b>　　t=0</b></p><p><b>　　二）控制方法訓(xùn)練</b></p><p><b>　　微分先行控制</b></p><p>　　設(shè)控制回路對象，分別采用常規(guī)PID和微分先行PID控制后系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p>　

62、　Simulink仿真如下：</p><p><b>　　Smith預(yù)估控制</b></p><p>　　設(shè)控制回路對象，設(shè)計Smith預(yù)估控制器，分別采用常規(guī)PID和Smith預(yù)估控制后系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p>　　Simulink仿真如下：</p><p><b

63、>　　大林算法控制</b></p><p>　　設(shè)被控對象傳函，目標閉環(huán)傳遞函數(shù)，試設(shè)計大林控制器，并在Matlab中進行驗證。</p><p>　　Simulink仿真如下：</p><p><b>　　三）控制系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　1.雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設(shè)計</p>

64、<p>　　要求：完成雙容水箱控制系統(tǒng)的性能指標：超調(diào)量<30%,調(diào)節(jié)時間<30s,擾動作用下系統(tǒng)的性能較單閉環(huán)系統(tǒng)有較大的改進。</p><p>　　1）. 分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計合理的控制系統(tǒng)設(shè)計方案；</p><p>　　2）.建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，完成系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖；</p><p>　　3）.完成控制系統(tǒng)的主副控制器的控

65、制算法策略的選擇(PID)，并整定相應(yīng)的控制參數(shù)；</p><p>　　4）.完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設(shè)計。</p><p>　　5）.寫出系統(tǒng)的PID算法控制程序等的軟件程序代碼（C語言或匯編語言）。</p><p>　　以THJ-2型過程控制實驗對象測得的實驗數(shù)據(jù)為：上水箱直徑為25cm，高度為2

66、0cm,當電動閥輸出的開度為50時，得水泵流量為Q=4.3186L/min,水箱自平衡時的液位高度為10.894cm,說明給定的頻率階躍信號適當，不會使系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性因素增大，更不會引起系統(tǒng)輸出出現(xiàn)超調(diào)量的情況，在開度為50時下水箱的液位隨時間變化值如下表：</p><p>　　下水箱直徑為35cm，高度為20cm,當電動閥開度為40時， 得水泵流量為Q=2.6064L/min,水箱自平衡時的液位高度為10

67、.838cm,同樣說明給定的頻率階躍信號適當，在開度為40時時上水箱的液位隨時間變化值如下表：</p><p>　　Simulink仿真如下：</p><p>　　2.基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　要求：完成雙閉環(huán)的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的微機控制設(shè)計，超調(diào)量<30%，調(diào)節(jié)時間<0.5s，穩(wěn)態(tài)無靜差。</p>&l

68、t;p>　　分析控制的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計合理的控制系統(tǒng)的控制方案；</p><p>　　選擇合適的檢測與執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計；</p><p>　　建立系統(tǒng)的各控制參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　分別完成轉(zhuǎn)速和電流控制系統(tǒng)的控制算法的選擇和參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)設(shè)計；</p><p>　　完成系統(tǒng)的MATLAB仿真

69、，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設(shè)計。</p><p>　　設(shè)直流電機，，，，電樞電阻，V-M系統(tǒng)的主電路總電阻，電樞電路的電磁時間常數(shù)，機電時間常數(shù)，測速反饋系數(shù),系統(tǒng)的電流反饋系數(shù)，觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks=30，三相平均失控時間Ts=0.00167s，電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。</p><p>　　S

70、imulink仿真如下：</p><p><b>　　四、心得體會</b></p><p>　　通過為期三天的課程設(shè)計，我有如下幾點感想：</p><p>　　首先，通過這次課程設(shè)計讓我熟悉并掌握了MATLAB軟件的使用方法，而且通過頻繁地使用MATLAB對傳遞函數(shù)、零極點、狀態(tài)空間表達方法和串聯(lián)、并聯(lián)、反饋后得到的系統(tǒng)模型進行仿真，通過MAT

71、LAB繪制Bode圖、Nyquist圖，對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行判定等，復(fù)習(xí)了從《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐》中學(xué)到的知識，并加深了對其的理解與運用。</p><p>　　其次，通過對微分先行控制、smith預(yù)估控制、大林算法控制進行調(diào)試仿真，明白了它們之間的區(qū)別,加深了對微分先行控制、smith預(yù)估控制、大林算法控制的理解。</p><p>　　最后，通過這次課程設(shè)計將理論知識與實際相結(jié)合，

72、大大的加強了我的實際動手能力，讓我知其然也知其所以然。而且，在實驗的過程中遇到困難時，通過查資料問同學(xué)最后終于完成設(shè)計，感覺自己收獲很多，既鞏固了從課本中所學(xué)的知識，又拓展了視野，還加強了自學(xué)能力，為以后的發(fā)展大下了良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　1 MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐