自动控制原理及系统仿真课程设计.docx

资源描述

自动控制原理及系统仿真课程设计.docx

《自动控制原理及系统仿真课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理及系统仿真课程设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

自动控制原理及系统仿真课程设计.docx

自动控制原理及系统仿真课程设计

自动控制原理及系统仿

真课程设计

学号：

1030620227

姓名：

李斌

指导老师：

胡开明

学院：

机械与电子工程学院

2013年11月

1、设计要求.............................................................................1

2、设计报告的要求.................................................................1

3、题目及要求.........................................................................1

（一）自动控制仿真训练.................................................1

（二）控制方法训练.......................................................19

（三）控制系统的设计...................................................23

4、心得体会...........................................................................27

5、参考文献...........................................................................28

自动控制原理及系统仿真课程设计

一：

设计要求：

1、完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。

2、自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。

严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。

3、课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。

4、加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。

每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。

二：

设计报告的要求：

1.理论分析与设计

2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。

3.设计中的心得体会及建议。

三：

题目及要求

一）自动控制仿真训练

1.已知两个传递函数分别为：

①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；

MATLAB代码：

num=[1]

den=[31]

G=tf（num,den）

[EF]=zero（G）

[ABCD]=tf2ss（num,den）

num=[2]

den=[310]

G=tf（num,den）

[EF]=zero（G）

[ABCD]=tf2ss（num,den）

仿真结果：

num=2

den=310

Transferfunction:

---------

3s^2+s

E=Emptymatrix:

0-by-1

F=0.6667

A=-0.33330

1.00000

B=1

C=00.6667

D=0

num=1

den=31

Transferfunction:

-------

3s+1

E=Emptymatrix:

0-by-1

F=0.3333

A=-0.3333

B=1

C=0.3333

D=0

②在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型。

MATLAB代码：

num1=[1]

den1=[31]

G1=tf（num1,den1）

num2=[2]

den2=[310]

G2=tf（num2,den2）

G3=G1*G2

G4=G1+G2

仿真结果：

num1=1

den1=31

Transferfunction:

-------

3s+1

num2=2

den2=310

Transferfunction:

---------

3s^2+s

Transferfunction:

-----------------

9s^3+6s^2+s

Transferfunction:

3s^2+7s+2

-----------------

9s^3+6s^2+s

2.系统的传递函数模型为

，判断系统的稳定性。

MATLAB代码：

num=[172424]

den=[110355024]

G=tf（num,den）

p=eig（G）

p1=pole（G）

r=roots（den）

仿真结果：

num=172424

den=110355024

Transferfunction:

s^3+7s^2+24s+24

---------------------------------

s^4+10s^3+35s^2+50s+24

p=-4.0000

-3.0000

-2.0000

-1.0000

p1=-4.0000

-3.0000

-2.0000

-1.0000

r=-4.0000

-3.0000

-2.0000

-1.0000

3.单位负反馈系统的开环传递函数为

，绘制根轨迹图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。

MATLAB代码：

num=1

den=conv（[12.730],[122]）

rlocus（num,den）

axis（[-88-88]）

figure

（2）

r=rlocus（num,den）;

plot（r,'-'）

axis（[-88-88]）

gtext（'x'）

仿真结果：

num=1

den=1.00004.73007.46005.46000

4.已知系统的开环传递函数为

，绘制系统的Bode图和Nyquist,并能够求出系统的幅值裕度和相角裕度。

MATLAB代码：

s=tf（'s'）

G=5*（10*s+1）/（s*（s^2+0.2*s+1）*（0.5*s+1））

figure

（1）

bode（G）

grid

figure

（2）

nyquist（G）

grid

axis（[-22-55]）

仿真结果：

Transferfunction:

50s+5

-------------------------------

0.5s^4+1.1s^3+0.7s^2+s

5．考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为

，

，用MATLAB语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。

MATLAB代码：

num=[4]

den=[1234]

G=tf（num,den）

G0=feedback（G,1）

step（G0）

[y,t]=step（G0）

plot（t,y）

num=[1-3]

den=[13]

G=tf（num,den）

G0=feedback（G,1）

step（G0）

[y,t]=step（G0）

plot（t,y）

num=[1]

den=[0.011]

G=tf（num,den）

G0=feedback（G,1）

step（G0）

[y,t]=step（G0）

plot（t,y）

num1=[4]

den1=[1234]

G1=tf（num1,den1）

num2=[1-3]

den2=[13]

G2=tf（num2,den2）

num3=[1]

den3=[0.011]

G3=tf（num3,den3）

G=G1*G2

G0=feedback（G,G3）

step（G0）

[y,t]=step（G0）

plot（t,y）

figure

（2）

step（G）

[y,t]=step（G）

plot（t,y）

仿真结果：

num=4

den=1234

Transferfunction:

---------------------

s^3+2s^2+3s+4

Transferfunction:

---------------------

s^3+2s^2+3s+8

y=1.0e+024*0

……

-0.8394

2.3467

-3.8466

4.9206

-5.0901

3.9226

t=0

1.4293

2.8586

4.2879

5.7172

7.1465

8.5758

.……

464.5216

465.9509

467.3802

468.8094

num=1-3

den=1

Transferfunction:

s-3

-----

s+3

Transferfunction:

s-3

-----

y=1.0e+004*

num=1

den=0.01001.0000

Transferfunction:

----------

0.01s+1

Transferfunction:

----------

0.01s+2

y=0

t=0

num1=4

den1=1234

Transferfunction:

---------------------

s^3+2s^2+3s+4

num2=1-3

den2=13

Transferfunction:

s-3

-----

s+3

num3=1

den3=0.01001.0000

Transferfunction:

----------

0.01s+1

Transferfunction:

4s-12

-------------------------------

s^4+5s^3+9s^2+13s+12

Transferfunction:

0.04s^2+3.88s-12

---------------------------------------------------

0.01s^5+1.05s^4+5.09s^3+9.13s^2+17.12s

y=1.0e+004*

t=0

二）控制方法训练

微分先行控制

设控制回路对象

，分别采用常规PID和微分先行PID控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。

Simulink仿真如下：

Smith预估控制

设控制回路对象

，设计Smith预估控制器，分别采用常规PID和Smith预估控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。

Simulink仿真如下：

大林算法控制

设被控对象传函

，目标闭环传递函数

，试设计大林控制器，并在Matlab中进行验证。

Simulink仿真如下：

三）控制系统的设计

1.双容水箱串级控制系统的设计

要求：

完成双容水箱控制系统的性能指标：

超调量<30%,调节时间<30s,扰动作用下系统的性能较单闭环系统有较大的改进。

1）.分析控制系统的结构特点设计合理的控制系统设计方案；

2）.建立控制系统的数学模型，完成系统的控制结构框图；

3）.完成控制系统的主副控制器的控制算法策略的选择（PID），并整定相应的控制参数；

4）.完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制要求，完成系统的理论的设计。

5）.写出系统的PID算法控制程序等的软件程序代码（C语言或汇编语言）。

以THJ-2型过程控制实验对象测得的实验数据为：

上水箱直径为25cm，高度为20cm,当电动阀输出的开度为50时，得水泵流量为Q=4.3186L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.894cm,说明给定的频率阶跃信号适当，不会使系统动态特性的非线性因素增大，更不会引起系统输出出现超调量的情况，在开度为50时下水箱的液位随时间变化值如下表：

T/min

H/cm

0.67

4.76

5.96

7.63

8.30

8.83

9.39

9.83

10.05

T/min

H/cm

10.16

10.40

10.50

10.63

10.72

10.76

10.83

10.89

下水箱直径为35cm，高度为20cm,当电动阀开度为40时，得水泵流量为Q=2.6064L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.838cm,同样说明给定的频率阶跃信号适当，在开度为40时时上水箱的液位随时间变化值如下表：

T/min

0.37

1.37

2.37

3.37

4.37

5.37

6.37

7.37

H/cm

1.17

2.16

3.16

3.83

5.17

5.30

5.83

6.50

T/min

8.37

9.37

10.37

11.37

12.37

13.37

14.37

15.37

16.37

H/cm

7.03

7.54

7.83

8.36

8.50

9.03

9.17

9.50

9.76

T/min

17.37

18.37

19.37

20.37

21.37

22.37

23.37

24.37

25.37

H/cm

9.83

10.10

10.36

10.50

10.84

Simulink仿真如下：

2.基于数字控制的双闭环直流电机调速系统设计

要求：

完成双闭环的直流电机调速系统的微机控制设计，超调量<30%，调节时间<0.5s，稳态无静差。

1）分析控制的结构特点设计合理的控制系统的控制方案；

2）选择合适的检测与执行元件和控制器，完成控制系统的硬件结构设计；

3）建立系统的各控制参数的数学模型；

4）分别完成转速和电流控制系统的控制算法的选择和参数的整定，完成系统设计；

5）完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制要求，完成系统的理论的设计。

设直流电机

，

，电枢电阻

，V-M系统的主电路总电阻

，电枢电路的电磁时间常数

，机电时间常数

，测速反馈系数

系统的电流反馈系数

，触发整流装置的放大系数Ks=30，三相平均失控时间Ts=0.00167s，电流滤波时间常数Toi=0.002s，转速环滤波时间常数Ton=0.01s。

Simulink仿真如下：

四、心得体会

通过为期三天的课程设计，我有如下几点感想：

首先，通过这次课程设计让我熟悉并掌握了MATLAB软件的使用方法，而且通过频繁地使用MATLAB对传递函数、零极点、状态空间表达方法和串联、并联、反馈后得到的系统模型进行仿真，通过MATLAB绘制Bode图、Nyquist图，对系统稳定性进行判定等，复习了从《MATLAB与控制系统仿真实践》中学到的知识，并加深了对其的理解与运用。

其次，通过对微分先行控制、smith预估控制、大林算法控制进行调试仿真，明白了它们之间的区别,加深了对微分先行控制、smith预估控制、大林算法控制的理解。

最后，通过这次课程设计将理论知识与实际相结合，大大的加强了我的实际动手能力，让我知其然也知其所以然。

而且，在实验的过程中遇到困难时，通过查资料问同学最后终于完成设计，感觉自己收获很多，既巩固了从课本中所学的知识，又拓展了视野，还加强了自学能力，为以后的发展大下了良好的基础。

五、参考文献

1MATLAB与控制系统仿真实践第二版北京航空航天大学出版社

2微机计算机控制技术第二版清华大学出版社

3电力拖动自动控制系统........运动控制系统第四版机械工业出版社

展开阅读全文