自动控制理论课程设计.docx
《自动控制理论课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制理论课程设计.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自动控制理论课程设计
西安石油大学
课程设计
电子工程学院自动化专业
题目控制系统的状态空间法设计
学生木热力
指导老师霍爱清
二○一一年十二月
目录
1．1任务书．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2．1设计思想及内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.2编制的程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2．21运用MATLAB编程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2．22在SIMULINK中绘制状态图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3．1结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
4．1设计总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
5．1参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
1.1《自动控制理论II》
《自动控制理论》课程设计任务书
题目
状态空间法设计
学生姓名
木热力
学号
200905081030
专业班级
自动化0905
设
计
内
容
与
要
求
一．设计内容：
11．已知一系统的状态空间方程为
试判别系统的可控性并求状态反馈增益矩阵k，使得系统的闭环特征值（即闭环极点）为
=-2、
=-1+j、
=-1-j。
二．设计要求：
（1）编程绘制原系统的单位阶跃响应曲线，并计算出原系统的动态性能指标；
（2）编程判断该系统的可控性；
（3）编程设计校正方案（得到相应的状态反馈参数或状态观测器参数）；
（4）利用SIMULINK绘制校正前、后系统状态模拟图
；
（5）编程绘制校正后系统的单位阶跃响应曲线，并计算出校正后系统的动态性能指标；
（6）整理设计结果，得出设计结论并提交设计报告。
起止时间
2011年月日至2011年月日
指导老师签名
年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
2011年月日
2.1设计内容及思想：
1）内容：
状态反馈和状态观测器的设计
11．已知一系统的状态空间方程。
试判别系统的可控性并求状态反馈增益矩阵k，使得系统的闭环特征值（即闭环极点）为
=-2、
=-1+j、
=-1-j。
2）思想：
状态空间描述的系统，常用状态反馈的方法来配置系统极点，使之具有特定的性能。
所谓状态反馈是将系统的每一个状态变量乘以相应的反馈系数，然后反馈到输入端与给定输入叠加后作为控制系统的控制输入。
为了实现状态反馈，需要系统全部的状态变量。
但在实际系统中，大部分状态变量很难直接测量到。
因此，为了实现状态反馈控制，需要通过一个模型，利用已知的信息（如输出量y与输入量u）对系统状态变量进行估计。
这样，可以构造一个与已知实际系统{A，B，C}具有同样动态方程的模拟系统，用模拟系统的状态向量
作为实际系统状态向量x
的估计器。
本题就是基于上述思想设计的。
2.2编制的程序：
2.2.1运用MATLAB编程：
校正前：
校正前：
A=[010;0-11;0-110]
B=[0;0;10]%设定系数矩阵
p=[-2-1+i-1-i]
CAM=ctrb（A,B）;
N=size（A）;n=N
（1）;
ifdet（CAM）~=0
rcam=rank（CAM）;
ifrcam==n
disp（'Systemiscontrolled'）
elseifrcamdisp（'Systemisnocontrolled'）
end
elseifdet（CAM）==0
disp（'Systemisnocontrolled'）%判定系统可控性
end
ifrcam==n
K=place（A,B,p）%极点配置，计算估计器增益矩阵K
end
运行结果
A=
010
0-11
0-110
B=
0
0
10
p=
-2.0000-1.0000+1.0000i-1.0000-1.0000i
Systemiscontrolled
K=
0.40000.20001.3000
原系统单位阶跃响应
a=[0,1,0;0,-1,1;0,-1,10;]
b=[0;0;10;]
c=[0,0,1]
d=[0]
sys=ss（a,b,c,d）;
step（sys）%绘制原系统校正前的单位阶跃响应曲线
运行结果
校正前原系统阶跃响应曲线
由图知动态性能：
由于原系统阶跃响应曲线是发散的，无动态性能。
校正后：
a=[0,1,0;0,-1,1;0,-1,10;]
b=[0;0;10;]
c=[0,0,1]
d=[0]；k=[0.40.31.3]
sys=ss（a-b*k,b,c,d）;
step（sys）
运行结果
校正后原系统阶跃响应曲线
由图知动态性能：
tr=0.0561stp=0.598sts=4.7s。
（二）2.22在SIMULINK绘制状态图：
校正前：
校正前的阶跃响应曲线：
校正后:
校正后阶跃响应曲线
3.1结论：
通过设计与编程，可得出以下几条结论：
1.该状态方程所描述的系统的阶跃响应是发散的。
2.系统通过校正后，其响应是趋于稳定的，动态性能为：
tr=0.0561stp=0.598sts=4.7s
3.通过编程判断知该系统是可控的，其参数K值如下：
K=
0.40000.20001.3000
此系统经过状态反馈后实现了题中要求的极点配置，同时系统经过状态反馈后可以按输入的意志达到期望的状态和输出响应。
4.1设计总结：
经过此次状态空间课程设计，我发现了Matlab在程序设计方面的方便之处，更体会到了Simulink软件在仿真方面的强大功能，调试方便，可以节省打来那个的编程时间。
更重要的是我学会了用Simulink仿真实际问题，它使我更加方便的观看到了电路的功能
1.根据设计任务书，作出单位阶跃响应曲线，通过图得到原系统的各项性能指标。
2.在判断系统的可控性时，编程判断系统是否具有可控性，若系统可控，按照题目要求，通过状态反馈来实现闭环极点的配置，得出状态反馈矩阵K，对系统进行校正。
3.通过学习并使用仿真工具SIMULINK,绘制出原系统及校正后系统的状态模拟图，使系统模拟图的建立和仿真变得简单直观。
对系统校正后，进而编程绘制出校正后的单位阶跃响应曲线，给出各项动态性能指标。
4.在本次课程设计中，我们了解并掌握了在MATLAB环境下建立系统模型以及按照要求实现控制系统的状态空间法的设计。
5.1参考文献：
薛朝妹，霍爱清，《自动控制理论》课程设计指导书，西安：
西安石油大学电子工程学院，2007年。
瞿亮，基于的控制系统计算机仿真，北京：
清华大学出版社，2006年。
胡寿松，《自动控制原理》第五版科学出版社，2007年。
张德丰，《Matlab控制系统设计与仿真》电子工业出版社，2009年。
升级会员 