自动控制原理课程设计报告.docx
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自动控制原理课程设计报告
大学
自动控制原理课程设计报告
课程名称：
自动控制原理
设计题目：
自动控制原理MATLAB仿真
院系：
班级：
设计者：
学号：
指导教师：
设计时间：
2015年12月
目录
一.实验目的和意义：
3
二．简述MATLAB语言的特点及其主要功能：
3
三．实训内容4
1.用matlab语言编制程序，实现以下系统：
4
2.两环节G1，G2串联，求等效的整体传递函数G（s）：
5
3.两环节G1，,G2并联，求等效的整体传递函数G（s）：
5
4．已知系统结构如图，求闭环传递函数:
5
5.求闭环系统的单位阶跃响应曲线，单位脉冲响应曲线：
6
6.典型二阶系统的
为自然频率，
为阻尼比，试绘制出当
=0.5，
分别取-2,0,2,4,6,8,10时该系统的单位阶跃响应曲线；分析阻尼比分别为-0.5，-1时系统的稳定性。
7
7试绘制高阶系统开环传递函数的零极点图和闭环根轨迹图：
9
8试绘制单位反馈系统的Bode图和Nyquist曲线：
11
9试绘制开环传递函数系统的开环频率特性曲线，并求出系统的幅值和相位裕量：
13
10.在SIMULINK中建立系统，绘制其单位阶跃响应曲线，分析其峰值时间，延迟时间，上升时间，调节时间及超调量：
14
*11.给定系统如下图所示，试设计一个串联校正装置，使幅值裕度大于h>10分贝、相位裕度γ≥45º。
15
四、心得体会19
五.参考文献19
一.实验目的和意义：
1．了解matlab软件的基本特点和功能，熟悉其界面、菜单和工具条；掌握线性系统模型的计算机表示方法、变换以及模型间的相互转换。
了解控制系统工具箱的组成、特点及应用；掌握求线性定常连续系统输出响应的方法，运用连续系统时域响应函数（impulse，step，lsim），得到系统的时域响应曲线。
2．掌握使用MATLAB软件作出系统根轨迹；利用根轨迹图对控制系统进行分析；掌握使用MATLAB软件作出开环系统的波特图，奈奎斯特图；观察控制系统的观察开环频率特性，对控制系统的开环频率特性进行分析；
3．掌握MATLAB软件中simulink工具箱的使用；熟悉simulink中的功能模块，学会使用simulink对系统进行建模；掌握simulink的仿真方法。
二．简述MATLAB语言的特点及其主要功能：
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
实训内容
1.用matlab语言编制程序，实现以下系统：
1）
G（s）=
程序:
num=[524018];
den=[14622];
h=tf（num,den）
Transferfunction:
5s^3+24s^2+18
-----------------------------
s^4+4s^3+6s^2+2s+2
2）
G（s）=
输入以下程序：
n1=4*[12];
n2=[166];
n3=[166];
num=conv（n1,conv（n2,n3））;
d1=[11];
d2=[11];
d3=[11];
d4=[1325];
den1=conv（d1,d2）;
den2=conv（d3,d4）;
den=[den1den20];
h=tf（num,den）
Transferfunction:
4s^5+56s^4+288s^3+672s^2+720s+288
-----------------------------------------------------
s^8+2s^7+s^6+s^5+4s^4+5s^3+7s^2+5s
2.两环节G1，G2串联，求等效的整体传递函数G（s）：
G1（s）=
G2（s）=
程序：
n1=[2];d1=[13];sys1=tf（n1,d1）;
n2=[7];d2=[121];sys2=tf（n2,d2）;
sys12=sys1*sys2
Transferfunction:
14
---------------------
s^3+5s^2+7s+3
3.两环节G1，,G2并联，求等效的整体传递函数G（s）：
G1（s）=
G2（s）=
输入以下指令：
num1=[2];den1=[13];sys1=tf（num1,den1）;
num2=[7];den2=[121];sys2=tf（num2,den2）;
sys12=sys1+sys2
Transferfunction:
2s^2+11s+23
---------------------
s^3+5s^2+7s+3
4．已知系统结构如图，求闭环传递函数:
已知系统结构如图，求闭环传递函数。
其中的两环节G1,G2分别为
G1（s）=
G2（s）=
输入以下指令：
n1=[3100];d1=[1281];
n2=[2];d2=[25];
s1=tf（n1,d1）;s2=tf（n2,d2）;
sys=feedback（s1,s2）
Transferfunction:
6s^2+215s+500
---------------------------
2s^3+9s^2+178s+605
5.求闭环系统的单位阶跃响应曲线，单位脉冲响应曲线：
已知某闭环系统的传递函数为G（s）=
求其单位阶跃响应曲线，单位脉冲响应曲线。
1）单位阶跃响应：
输入如下指令：
G=tf（[10,25],[0.16,1.96,10,25]）
step（G）;%计算并绘制系统的单位阶跃响应
title;（单位阶跃响应曲线图）
图05.01单位阶跃响应曲线
（2）、单位脉冲响应：
【程序】>>G=tf（[10,25],[0.16,1.96,10,25]）
impulse（G）;%计算并绘制系统的单位脉冲响应
title（'单位脉冲响应'）
图05.02单位脉冲响应
6.典型二阶系统的
为自然频率，
为阻尼比，试绘制出当
=0.5，
分别取-2,0,2,4,6,8,10时该系统的单位阶跃响应曲线；分析阻尼比分别为-0.5，-1时系统的稳定性。
典型二阶系统的传递函数为G（s）=
为自然频率，
为阻尼比，试绘制出当
=0.5，
分别取-2,0,2,4,6,8,10时该系统的单位阶跃响应曲线；分析阻尼比分别为-0.5，-1时系统的稳定性。
输入如下指令：
（1）.当
=0.5，
分别取-2、0、2、4、6、8、10时：
G0=tf（[0,4],[1,-2,4]）;%=0.5Wn=-2
G1=tf（[0,4],[1,2,4]）;%=0.5Wn=2
G2=tf（[0,16],[1,4,16]）;%=0.5Wn=4
G3=tf（[0,36],[1,6,36]）;%=0.5Wn=6
G4=tf（[0,64],[1,8,64]）;%=0.5Wn=8
G5=tf（[0,100],[1,10,100]）;%=0.5Wn=10
step（G0,G1,G2,G3,G4,G5）;
title（'µ¥Î»½×Ô¾ÏìÓ¦'
图06.01单位阶跃响应曲线
G6=tf（[0,100],[1,-10,100]）;%§=-0.5,Wn=10时的单位阶跃响应
G7=tf（[0,100],[1,-20,100]）;%§=-1,Wn=10时的单位阶跃响应
step（G6,G7）;title（'§=-0.5，§=-1时的阶跃响应'）
图06.02阶跃响应曲线
7试绘制高阶系统开环传递函数的零极点图和闭环根轨迹图：
设有一高阶系统开环传递函数为G（s）=
试绘制该系统的零极点图和闭环根轨迹图。
1）系统的零极点
输入如下指令：
G=tf（[0.016,0.218,1.436,9.359],[0.06,0.268,0.635,6.271]）
pzmap（G）;
title（'Á㼫µãͼ'）
图07.01系统的零极点
2）系统的闭环根轨迹
输入如下指令：
num=[0.0160.2181.4369.359];
den=[0.060.2680.6356.271];
rlocus（num,den）
图07.02系统的闭环根轨迹
8试绘制单位反馈系统的Bode图和Nyquist曲线：
单位反馈系统前向通道的传递函数为：
G（s）=
试绘制该系统的Bode图和Nyquist曲线，说明软件绘制曲线与手动绘制曲线的异同。
1）绘制该系统的Bode图：
输入如下指令：
num=[00281282];
den=[151010510];
margin（num,den）
图08.01系统的Bode图
2）系统的Nyquist图：
输入如下指令：
num=[00281282];
den=[151010510];
nyquist（num,den）
图08.02系统Nyquist曲线
9试绘制开环传递函数系统的开环频率特性曲线，并求出系统的幅值和相位裕量：
已知某控制系统的开环传递函数G（s）=
=1.5,试绘制系统的开环频率特性曲线，并求出系统的幅值和相位裕量。
输入如下指令:
d1=[11];
d2=[12]
den1=conv（d1,d2）;den=[den10];
num=[10];
bode（num,den）
程序运行结果如图所示：
图09.01系统的开环频率特性曲线
10.在SIMULINK中建立系统，绘制其单位阶跃响应曲线，分析其峰值时间，延迟时间，上升时间，调节时间及超调量：
在SIMULINK中建立系统，该系统阶跃输入时的连接示意图如下。
K为学生学号后三位。
绘制其单位阶跃响应曲线，分析其峰值时间，延迟时间，上升时间，调节时间及超调量。
图10.01单位阶跃响应曲线
输入如下程序：
num=[238];
den=[19238];
step（num,den）;
grid;
图10.02示波器显示单位阶跃响应曲线
延迟时间：
=0.2757
上升时间:
tr=0.094
峰值时间:
tp=0.392
调节时间:
ts=1.192
超调量:
36.24%
*11.给定系统如下图所示，试设计一个串联校正装置，使幅值裕度大于h>10分贝、相位裕度γ≥45º。
（1）、原系统的幅值裕度和相位裕度
图11.01原系统传函图
校正后的图
图11.02校正系统传函图
G=tf（100,[0.04,1,0]）;
[Gw,Pw,Wcg,Wcp]=margin（G）
G1=tf（100,[0.04,1,0]）;
G2=tf（100*[0.025,1],conv（[0.04,1,0],[0.01,1]））
bode（G1）
hold
bode（G2,'r'）
grid
figure
G1c=feedback（G1,1）;
G2c=feedback（G2,1）;
step（G1c）
hold
step（G2c,'r'）
grid
结果如下：
Gw=
Inf
Pw=
28.0243
Wcg=
Inf
Wcp=
46.9701
Transferfunction:
2.5s+100
-------------------------
0.0004s^3+0.05s^2+s
图11.03校正前系统频率特性曲线
图11.04校正后系统频率特性曲线
四、心得体会
为期一周的自动控制原理课程设计，不仅是对我们在课本上学到的知识的一种检验，而且是对自己动手能力得一种提升。
设计过程中我们遇到了很大的困难比如原先学过的知识有些遗忘以及自己对课本知识掌握不牢固，再次，MATLAB的初次见面也很陌生，所以不仅要复习自动控制原理的相关知识，还要学习MATLAB软件的使用。
但是困难是吓不倒我们的，设计中，我们在网上查阅了大量关于MATLAB软件的相关知识。
我们通过自学或与同学、老师交流，共同学习共同进步，最终完成了此次课程设计。
五.参考文献
【1】程鹏.自动控制原理（第二版），高等教育出版社，2010.
【2】胡松涛.自动控制原理.北京：
国防工业出版社，1984.
【3】赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践，北京:
北京航空航天大学出版社，2009.
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