控制系统仿真设计.docx
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控制系统仿真设计
课程设计任务书
课程设计题目
控制系统仿真设计
功能
技术指标
使得电动车控制系统的系统在校正后阶跃响应的超调量小于5%，调节时间小于4s。
工作量
二周
工作计划
第一周学习如何使用MATLAB软件与控制系统的仿真等，第二周选择课题然后进行分组查询资料，最后借助软件对实验题目进行编程矫正和分析，使实验达到题目要求的最优化效果。
指导教师评语
目录
第1章设计题目及要求1
1.1设计题目1
1.2要求1
第2章校正前系统性能2
2.1时域性能2
2.2频域性能5
第3章校正环节设计6
3.1校正方法选择6
3.2控制参数整定6
第4章校正后系统性能7
4.1时域性能7
4.2频域性能9
结论10
心得体会11
第1章设计题目及要求
1.1设计题目：
若系统的数学模型及控制环节的传递函数为G（s）=40／（s（s+3）（s+6）），设计校正装置。
电动车控制系统：
某电动车控制系统如图：
1.2要求：
系统在阶跃响应的超调量小于5%，调节时间小于4s。
第2章校正前系统性能
2.1时域性能
（1）、绘制未加入校正装置的系统开环阶跃响应曲线，根据系统的开环传递函数，程序如下：
function[Tp,Mp,Tr,Ts]=stepa（G）
[Y,t]=step（G）;
cs=length（t）;
yss=Y（cs）;
[ctp,tp]=max（Y）;
Tp=t（tp）;
Mp=100*（ctp-yss）/yss
k=cs+1;
n=0;
whilen==0
k=k-1;
ifY（k）<0.98*yss
n=1;
end
end
t1=t（k）;
k=cs+1;
n=0;
whilen==0
k=k-1;
ifY（k）>1.02*yss
n=1;
end
end
t2=t（k）;
ift1>t2
Ts=t1;
else
Ts=t2;
End
clearall;
clearall;
num=2.2;
den=conv（[1,0],conv（[0.3,1],[0.17,1]））;
sys1=tf（num,den）;
sys2=feedback（sys1,1）;
figure
（1）;
margin（sys1）
figure
（2）;
step（sys2）
[Tp,Mp,Tr,Ts]=stepa（sys2）
Mp=
25.8043
Tp=
1.5355
Mp=
25.8043
Tr=
1.0631
Ts=
4.6066
系统的阶跃响应曲线图2-1
2.2频域性能
由2.1节的程序可以得到系统的频域曲线图（2-2）如下所示
控制系统的频域响应曲线图2-2
MATLAB运行结果
开环传递函数为：
G（s）=2.2／（s（0.3s+1）（0.17s+1））
Mp=25.8043Tp=1.5355
Mp=25.8043Tr=1.0631Ts=4.6066
系统是稳定的，但是响应时间和超调量都较之题目要求大
第3章校正环节设计
3.1校正方法选择
由于题目要求系统阶跃响应的超调量小于5%，超调时间小于4s，系统虽然稳定，但是响应时间较快和超调量较大，由于放大系数K对超调量有影响，为此需要改变放大系数K的值来满足题目要求的预期值，根据系统的时域性能和频域性能可知适合采用比例-微分控制器（PD控制器）从比例环节和微分环节进行校正，从物理的角度来分析，他可以降低系统的最大超调量，改变动态性能，从频率特性的角度来说，它可以增加系统的相角裕量，是系统的震荡减弱。
校正环节的两个转折频率设置在远离校正后系统剪切频率的低频段，利用之后网路的高频幅值衰减特性，使校正后系统中频段的幅频将衰减|20lgb|dB，而其相频可认为不衰减，因此校正后系统的剪切频率将减小，在新的剪切频率出获得较大的相角裕量，增加了稳定性和高频抗干扰的能力。
3.2控制参数整定
由3.1节的分析可得要调节到预期要求，可通过调节比例系数K和微分系数yss来改变系统的性能，利用MATLAB软件对选择合理参数进行逐次修改程序观察校验数据和结果，最终选择了比例系数K=3和微分控制系数为1.02，这样满足了系统的目标要求参数的选定。
第4章校正后系统性能
4.1时域性能
通过校正方法的选择和控制参数的整定，校正后的程序如下所示：
clearall;
num=3;
den=conv（[1,0],[0.17,1]）;
sys1=tf（num,den）;
sys2=feedback（sys1,1）;
figure
（1）;
margin（sys1）
figure
（2）;
step（sys2）
[Tp,Mp,Tr,Ts]=stepa（sys2）
利用MATLAB校正后的运行结果为：
Mp=
4.7875
Tp=
1.0513
Mp=
4.7875
Tr=
0.7885
Ts=
1.4455
满足了Mp=4.7875<5%，Ts=1.4455<4s，其阶跃响应曲线和频域响应曲线为下图所示。
校正后系统的阶跃响应曲线4-1
4.2频域性能
校正后系统的频域曲线如图（4-2）所示，满足题目要求
校正后系统的频域响应曲线4-2
结论
我组做的电动车控制系统的超调矫正调节模型，利用MATLAB软件画出系统阶跃响应的时域图和bode图，通过实验验证我增加了PD控制环节，并得到了以下结论，如果系统稳定且仅需改变系统的超调量和超调时间，根据三种调节类型和调节特点，需要增加PD控制调节模型来满足系统的稳态需求，通过实验在软件上选择合理的参数进行逐次校验，观察Mp、Tp、Tr和Ts，以及校正的阶跃响应曲线和频域响应曲线，直到满足题目要求为止。
在满足题目要求的基础上进行校正，纠正的过程和步骤必须根据实际需求，不可死板一成不变，选定参数合理的利用MATLAB软件，M-file文件进行调试程序，最后确定Mp和Ts达到最优控制，确定了最后的系统传递函数，在一定的范围内满足了性能指标的范围。
心得体会
通过这次对控制系统的滞后校正的设计与分析，让我对PD校正环节有了更清晰的认识，加深了对课本的理解，对期末考试也起到了积极的复习作用，而且让我更进一步熟悉了相关MALAB软件的基本编程方法和使用方法。
在这次的课程设计的过程中，从整体思路的构建到具体每一步的实现，过程并不是一帆风顺的，通过复习课本知识和查阅相关资料确定了整体思路，然后通过演算计算出K值确定校正网络参数，最后运用MATLAB软件编程验证、作图。
在word编辑和运用MATLAB软件使用时遇到了一些问题，通过网络查询和询问同学也都得到了解决，提高了对课设软件的应用能力。
本次课程设计的核心是MATLAB软件的使用，通过软件编程，我对MATLAB的语言和应用又更近一步的了解，特别熟悉了一些对自动控制的使用命令，如跟轨迹绘制函数rlocus（）、时域图step（）、伯德图函数绘制bode（）等。
利用MATLAB对控制系统进行频域分析，大大简化了计算机和绘图步骤，是一款很实用的软件，今后利用课余时间也可以拓展一下自己在MATLAB软件编程的能力。
这次课程设计完成后，我体会了学习自动控制原理，不仅要掌握书本上的内容，还要灵活思考，善于变换，在提出问题、分析问题、解决问题的过程中不断提高自己分析和解决实际问题的能力。
要把理论知识与实践结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
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