自动控制原理课程设计文档格式.docx

1、二、 目的与要求本课程为自动控制理论A的课程设计，是课堂的深化。设置自动控制理论A课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。作为自动化专业的学生很有必要学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。通过此次计算机辅助设计，学生

2、应达到以下的基本要求：1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。3.能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。三、 主要内容1前期基础知识，主要包括MATLAB系统要素，MATLAB语言的变量与语句，MATLAB的矩阵和矩阵元素，数值输入与输出格式，MATLAB系统工作空间信息，以及MATLAB的在线帮助功能等。2控制系统模型，主要包括模型建立、模型变换、模型简化，Laplace变换等等。3控制系统的时域分析，主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零极点对系统性

3、能的影响、高阶系统的近似研究，控制系统的稳定性分析，控制系统的稳态误差的求取。4控制系统的根轨迹分析，主要包括多回路系统的根轨迹、零度根轨迹、纯迟延系统根轨迹和控制系统的根轨迹分析。5控制系统的频域分析，主要包括系统Bode图、Nyquist图、稳定性判据和系统的频域响应。6控制系统的校正，主要包括根轨迹法超前校正、频域法超前校正、频域法滞后校正以及校正前后的性能分析。四、 进度计划序号设计内容完成时间备注1基础知识、数学模型2011年12月26日2时域分析法、频域分析2011年12月27日3根轨迹分析2011年12月28日4系统校正2011年12月29日5整理打印课程设计报告，并答辩2011

4、年12月30日五、 设计成果要求上机用MATLAB编程解题，从教材或参考书中选题，控制系统模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹分析法、控制系统的频域分析法每章选择两道题。第六章校正选四道，其中根轨迹超前校正一道、根轨迹滞后校正一道、频域法超前校正一道、频域法滞后校正一道。并针对上机情况打印课程设计报告。课程设计报告包括题目、解题过程及程序清单和最后的运行结果（曲线），课程设计总结或结论以及参考文献。六、 考核方式自动控制理论课程设计的成绩评定方法如下：根据1打印的课程设计报告。2独立工作能力及设计过程的表现。3答辩时回答问题的情况。成绩评分为优、良、中、及格以及不及格5等。 学生姓名：

5、陈莉丽 指导教师：姚秀明 2011年12 月30日一、课程设计的目的与要求二、设计正文1.控制系统数学模型 1.1传递函数的多项式形式转换零极点形式 G（s）= 在MATLAB环境下获得传递函数。程序：num=1 2 3num = 1 2 3 den=1 4 6 9den = 1 4 6 9 G=tf（num,den）Transfer function: s2 + 2 s + 3-s3 + 4 s2 + 6 s + 9 1.2传递函数的多项式形式转换零极点形式在MATLAB环境下获得采样时间为4s的传递函数。 num=1 2 3 G1=tf（num,den） Ts=4Ts = 4 G2=tf（

6、num,den,Ts） z2 + 2 z + 3z3 + 4 z2 + 6 z + 92控制系统的时域分析2.1单位负反馈系统的开环传统函数为：G（s）= 试求系统的单位阶跃响应。程序: num=4; den=1 2 0; y=step（num,den）; step（num,den） y,t,x=step（num,den,t）系统单位阶跃响应的图像：2.2用劳斯判据判定系统的稳定性及根的分布情况：s4+2s3+8s2+4s+3=0 程序:d=1 2 8 4 3d = 1 2 8 4 3 r=roots（d）r = -0.7555 + 2.5001i -0.7555 - 2.5001i -0.2

7、445 + 0.6165i -0.2445 - 0.6165i可看出根都在左半平面，系统稳定。3.系统的根轨迹分析 3.1已知一个单位负反馈的开环传递函数为：G（s）=,绘制系统的根轨迹。 num=conv（1 2）； den1=conv（1 0,1 3）； den2=1 2 2； den=conv（den1,den2） rlocus（num,den）运行结果：3.2系统闭环特征方程如下，绘制闭环根轨迹。 s3+（K-1.8）s2+4Ks+3K=0 等效根轨迹方程为：程序清单： num=conv（1 3,1 1）； den=conv（1 0 0,1 -1.8）；根轨迹图：4.控制系统的频域分析

8、4.1单位负反馈的开环传递函数为G（s）=的Nyquist曲线 num=100 200； den1=conv（1 0,1 1）； den=conv（den1,1 20）； nyquist（num den）图像： 4.1二阶振荡环节的传递函数为G（s）= 求系统的Nyquist曲线和Bode图。 num=20 1; den=conv（1 0,1 0）; den2=conv（5 1,2 1）; den1=conv（den,den1）;nyquist（num,den1）; figure（1） bode（num,den） 程序执行后，得到所示的曲线：Nyquist曲线：Bode图;5控制系统的校正5.

9、1根轨迹法超前校正 已知系统的开环传递函数为 用根轨迹法确定串联超前校正装置，使得超调量不大于30%，调节时间不大于8s. （1）校正前： num=8; den1=conv（1 0,3 1）; den=conv（den1,0.2 1）; Transfer function: 80.6 s3 + 3.2 s2 + s rltool（G）打开Anilysis中的Response to commad step得到如下图形：可见系统发散不稳定，需要校正，可串联一单零点模型。用rltool工具调整，得到校正装置G（s）=0.396（1+0.89s）由此可以看出，已经符合题目的要求5.2根轨迹法滞后校正

10、已知系统G（s）=用根轨迹法确定串联滞后校正装置，使得超调量不大于15%，调节时间不大于25秒。 校正前： num=0.8;den=conv（1 0,3 1）; den1=conv（den,1 2）; G=tf（num,den1） 0.8-3 s3 + 7 s2 + 2 s明显不符合要求，用rltool工具进行校正，增加零极点模型，得到得到校正装置（s）=校验后的根轨迹图： 打开Anilysis中的Response to commad step得到如下图形： 由此图可看出已经符合题目要求。5.3频域法超前校正 控制系统的开环传递函数为：Gc（s）= 试确定串联校正装置的特性，使系统满足相角裕度

11、45串联超前校正： num=1000; den1=conv（1 0,0.1 1）; den=conv（den1,0.001 1）; margin（num,den）由以上过程可以看出相角裕量0.0584度，不满足指标要求，系统的Bode图也可以看出，应该采用串联超前校正装置，以增加系统的相位裕度。选择超前校正装置的最大超前相角为52,则有a=（1+sin）/（1-sin）=8.43,为使超前装置的相角补偿作用最大,选择校正后系统的剪切频率在最大超前相角发生的频率上，由上图，-10lga=-10lg4.6=-8.43dB时,相应的频率为170.4rad/s,选择此频率作为校正后系统的剪切频率wm=

12、wc，=170.4rad/s,T=0.00202,初选校正装置的传递函数为：校正后的系统的开环传递函数为G（s）=G0（s）Gc（s）=校正后： num=17.03 1000; den1=conv（0.001 1,0.00202 1）; den2=conv（1 0,0.1 1）; den=conv（den1,den2）; figure（1）（1）;校正后的伯德图： 由以上可知，校正后的系统相位裕量为45.8，满足性能要求，以上所选超前装置正确5.4频域法滞后校正已知单位负反馈系统的开环传递函数为，设计串联校正装置，使校正后相位裕度校正前： 程序： num=30;伯德图：由上图可以看出，相角裕量

13、为-17.2，不满足相角裕量大于40。=-180+40+7=-133（wc）要大于-133由图可得20lg=30/2.7，=11.1解得wc=2.7，T=3.7, T=11.1*3.7=41.15校正装置的传递函数为：校正后的传递函数为 num=conv（30,3.7 1）; den2=conv（0.2 1,41.15 1）;由图可以看出相角裕量为45.2deg，满足题目要求。三、课程设计总结或结论1.通过本次设计，巩固了课堂上所学到的知识，熟练的掌握了控制系统稳定性、稳态性能、动态性能的各种分析方法，加深了对控制原理有关知识的理解和应用。2.学习了MATLAB软件，基本掌握了它的有关功能和使用方法。学会使用MATLAB软件进行系统性能分析，了解了MATLAB几个工具箱的使用方法，并能应用来解决一些问题。3.通过本次课程设计，了解了有关课程设计的相关内容，锻炼了运用所学知识解决实际问题的能力。4本次课程设计认识了MATLAB软件，但是由于时间和资源有限，只了解到了一小部分关于该软件的用途，并没有形成系统且深入的研究。在以后的学习中，需要继续深入的学习MATLAB软件。四、参考文献1 于希宁,刘红军.自动控制原理.中国电力出出版社.2007年8月. 3师宇杰.自动控制原理基于MATLAB仿真的多媒体授课教材.国防工业出版社