自动控制课程设计解读.docx
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自动控制课程设计解读
自动控制课程设计报告
学院：
机械与电子工程
专业：
自动化
班级：
10306203
姓名：
王海
学号：
1030620308
指导教师：
胡开明
2013年11月15日
概论
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
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工作界面
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。
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。
二、设计报告要求
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、设计内容
一）自动控制仿真训练
1.已知两个传递函数分别为：
在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；
G1（x）=1/3s+1在MATLAB文本为
MATLAB中转换成传递函数、零极点、和状态空间为
G2（x）=2/3s2+s在MATLAB文本为
MATLAB中转换成传递函数、零极点、和状态空间为
2.系统的传递函数模型为
，判断系统的稳定性
MATLAB文本为
运行文本为
分析：
由不同MATLAB函数求得的系统特征方程根是一致的可判断出该系统稳定。
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文本为
运行结果为
分析：
由rlocus函数绘制的根轨迹图可知其与实轴的分离点为-2.1，增益为2.92.与虚轴的交点为0.00267+1.08i,0.00895-1.09i对应的增益分别为7.36和7.5.
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文本为
运行结果为
Bode图
Nyquist图
分析：
由bode图可知该传函的幅值裕度Gm=-49db,相角裕度Pm=-76.2deg。
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。
结构框图
常规PID控制后系统输出响应曲线
微分先行PID控制后系统输出的响应曲线
分析：
微分先行PID和普通PID控制的不同在于它只对被控量微分不对偏差微分，也就是说对给定值无微分作用提高了系统滞后改善。
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。
结构框图
Smith预估控制后系统输出的响应曲线
常规PID控制后系统输出响应曲线
分析：
采用Smith预估控制补偿了被控对象中的纯滞后部分，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，且不影响系统稳定性。
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。
结构框图
采用大林控制器系统输出响应曲线
原传递函数系统输出曲线
分析：
通过比较两张系统输出曲线可知采用大林算法与原传递函数是一样的。
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
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
H/cm
0
0.67
4.76
5.96
7.63
8.30
8.83
9.39
9.83
10.05
T/min
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
H/cm
10.16
10.40
10.50
10.63
10.72
10.76
10.83
10.89
10.89
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
0.37
1.37
2.37
3.37
4.37
5.37
6.37
7.37
H/cm
0
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
10.84
10.84
10.84
10.84
结构框图
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。
结构框图
最终系统输出曲线
四、总结
本次课程设计，不仅是对前面所学知识的一种检验，而且是对自己能力得一种提升。
在设计过程中，我们通过到图书管借阅了大量的自动控制原理MATLAB实现的相关资料，自学的时候与同学、老师交流，一步一步的分析和研究，最终完成了课程设计。
在设计和分析过程中遇到不少问题，首先是因为对原先学过的知识有些遗忘，再次，MATLAB的初次见面也很陌生，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。
通过这次课程设计，我巩固了自动控制原理所学的基本知识。
同时，最主要的是我对MATLAB软件有了初步的了解，再以后的学习中可以轻松的解决MATLAB相关方面的问题，也有助于自己的学习研究。
总之，不论做好设计，还是学习，最主要的就是我们的态度，“努力造就实力，态度决定高度”。
态度决定一切。
五、参考文献
[1]程鹏.第二版自动控制原理北京：
高等教育出版社,2009,09
[2]黄忠霖.自动控制原理的MATLAB实现北京：
国防工业出版社，2006,10
[3]张德丰.MATLAB自动控制系统设计北京：
机械工业出版社，2010,01
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