华电自动控制理论课设文档格式.docx

1、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

2、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、数学模型第一天2时域分析法、频域分

3、析第二天3根轨迹分析第三天4系统校正第四天5整理打印课程设计报告，并答辩第五天五、 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、滞后校正一道、频域法超前校正一道、滞后校正一道。并针对上机情况整理课程设计报告。课程设计报告以WORD电子文档形式提交，文件名为班级学号姓名。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电子文档形式的课

4、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： 指导教师： 2015 年 1 月 15 日二、设计正文数学模型 1.1已知系统传递函数为G（s）=用matlab建立数学模型。解：程序建立模型 num=1 2 3; den=1 5 7 2;sys=tf（num,den） Transfer function: s2 + 2 s + 3-s3 + 5 s2 + 7 s + 2laplace变换 syms s;a=（s2+2*s+3）/（s3+5*s2+7*s+2）;L=laplace（a）L =laplace（s2+2*s

5、+3）/（s3+5*s2+7*s+2）,s,t）1.2.线性定常离散系统的脉冲传递函数为G（s）= j将其转换成连续时间模型（采样周期T=0.1s）。采用零阶段保持器方法离散化，在命令窗口输入： sysd=tf（1 -1,1 1 0.3,0.1 ） z - 1-z2 + z + 0.3Sampling time: 0.1 sysc=d2c（sysd）121.7 s - 5.821e-013s2 + 12.04 s + 776.7 sysc=d2c（sysd,tustin）-6.667 s2 + 133.3 s-s2 + 93.33 s + 3067时域分析法 2.1,已知连续系统的传递函数G（

6、s）= （1）求出其零极点图，判断系统的稳定性。（2）绘制其零极点图，判断系统的稳定性。建立数学模型，绘制零极点图。 num=3 2 5 4 6; den=1 3 4 2 7 2; sys=tf（num,den）; pzmap（sys）求极点p=pole（sys）p = -1.7680 + 1.2673i -1.7680 - 1.2673i 0.4176 + 1.1130i 0.4176 - 1.1130i -0.2991 该系统有一对共轭极点的实部大于0，所以系统不稳定 2.2已知系统的闭环传递函数G（s）= 计算系统单位阶跃响应性能指标：上升时间，峰值时间，超调量，调节时间，用simuli

7、nk仿真。绘制单位阶跃响应曲线 G=tf（1 3 2,1 6 18 13 11）; step（G） 仿真结果与计算结果有较高的相似度 频域分析 3.1设线性定常系统的传递函数分别为G1=,G2=,G3=将它们的bode图绘制在一张图中。 G1=tf（1,5 1）; G2=tf（0.3,5 1 4）; G3=tf（0.6,1 1）; bode（G1,r,G2,y,G3） nyquist（G1,3.2线性定常系统的传递函数G（s）=计算其稳定裕度及相应的穿越频率和截止频率。建立传递函数模型 num=4 0.4; den=1 5 20 19 15 0; S=allmargin（sys）S = Gai

8、nMargin: 10.8674 GMFrequency: 1.8856 PhaseMargin: 103.4629 PMFrequency: 0.0277 DelayMargin: 65.2349 DMFrequency: Stable: 1稳定裕度分贝表示 20*log10（10.8674）ans =20.7225 subplot（1,2,2）;nyquist（sys） subplot（1,2,1）;bode（sys）由图的：幅值裕度20.7db，相位裕度103，剪切频率0.0277rad/s4.1已知单位负反馈的开环传递函数为G（s）=绘制其闭环根轨迹。rlocus（tf（2 5 1,1

9、 2 3）gridsubplot（1,2,1）;4.2已知系统开环传递函数为G（s）=,试画出=0.1，0.3,0.5,0.7, 0.9时的等线，n=1,2,3,10时的等n线及系统的根轨迹图，并找到=0.9时的系统的主导极点，并绘制此时系统的阶跃响应。 num=1 4;den=conv（1 1,1 3）;rlocus（num,den）;axis（-6 6 -2 2）;z=0.1 0.3 0.5 0.7 0.9;wn=1:10;sgrid（z,wn）;k,p=rlocfind（num,den）;%根轨迹如图Select a point in the graphics windowselecte

10、d_point = 0.3626 - 0.0512i系统的根轨迹及等wn线和等 num1=k*num; den1=den; W=tf（num1,den1）; W1=feedback（W,1）; figure（2） step（W1,k）;%系统的阶跃响应曲线 频域超前5.1已知单位负反馈系统的开环传递函数为G（s）=，式设计串联超前校正装置，使系统指标满足单位斜坡输入信号时稳态误差e0.1，相位裕度r45，穿越频率150rad/s。根据稳态误差的要求做静态校正，则系统的传递函数为G（s）= 绘制bode图求性能指标。 num=1000; den=conv（0.1 1 0,0.001 1）;mar

11、gin（num,den）由图可求得相位裕度0.0584，穿越频率99.5，都不满足要求。补偿角取为o=45-0+7=52，校正参数a=（1+sin（o*pi/180）/（1-sin（o*pi/180）=8.4344.根据校正后的穿越频率取wm=160，可求出时间常数T=1/（sqrt（a）*wm）=0.0022.校正后的性能指标为：nc=a*T 1;dc=T 1;n=conv（num,nc）;d=conv（den,dc）;margin（n,d）从图可以看出，相位裕度为45.2，穿越频率为175，都满足要求 nc=a*T 1; t1=0:0.1:120; G1=tf（num,den）;G11=f

12、eedback（G1,1）;step（G11,t1）; G2=tf（n,d）;G22=feedback（G2,1）; figure（1）;hold on;t2=0:8;subplot（1,2,2）;step（G22,t2） 动态校正前后系统的阶跃响应曲线 频域滞后 5.2已知单位负反馈的开环传递函数G（s）= 设计校正使系统性能指标满足单位阶跃信号输入时无稳态误差，相位裕度 r50。根据静态指标系统已满足要求，绘制校正前系统bode图num=80;den=conv（1 0,0.1 1）;figure（1）;margin（num,den）;grid on相位裕度20，穿越频率27.4，系统本身对

13、穿越频率没有要求。所以可以牺牲穿越频率提高相位裕度，以满足系要求，此时可以设计串联滞后校正。串联滞后校正放在系统的低频段，利用它自身的高频段幅值下降，但对相频特性影响较小的特点。此系统的第一个转折点是10，线设计校正后的穿越频率为5.取wc=5 对数幅频23。而由20lga=23,1/T=（0.2-0.1）wc.可以求出参数 a=10（23/20）;wc=5;T=1/（0.1*wc）;nc=T 1;dc=a*T 1;figure（2）;margin（n,d）;grid on 校正后的bode图 由图的校正后相位裕度57.9穿越频率5.07，满足r50 。t1=0:5;G1=tf（num,den

14、）;step（G22,t2）得动态校正前后的阶跃响应曲线可以看出牺牲了响应速度获得了更好的平稳性指标 。根轨迹校正根轨迹超前6.1已知系统的开环传递函数为G（s）= 用根轨迹确定一串联校正装置使得超调量不大于30%，调节时间不大于8。 den=conv（1 1 0,0.5 1）;num=1;G=tf（num,den）;rltool（G）;加入零极点根轨迹滞后6.2被控对象的传递函数为G（s）=采用单位负反馈，系统的动态性能已经满足要求，现在求系统的速度误差系数不小于5。根轨迹校正中的滞后网络用于改善系统的稳定性能，但不改变系统的动态性能，在设计滞后网络时，为使校正后系统的根轨迹主要分支通过闭环

15、主导极点，同时能大幅度提高系统的开环增益，通常把滞后网络的零极点配置在离虚轴较近的地方，并且互相靠近。 den=conv（1 1 0,1 2）; num=1.33;G1=feedback（G,1）;step（G1） 利用系统根轨迹分析的图形界面加入滞后校正网络得G（s）=（s+0.01）/（s+0.001） den=conv（1 1 0,1 2.001 0.002）; num=1.33 0.0133;可知动态过程基本不受影响，但校正后速度误差系数为原来的10倍，满足静态要求。三、课程设计总结或结论通过本次课设对matlab在自动控制中的应用有了初步的了解，能用matlab去分析一些简单的自动控制领域的问题。对以后的学习很有帮助。四、参考文献于希宁 孙建平 刘鑫屏等自动控制原理中国电力出版社“十一五教材”吴晓燕 张双选 MATLAB在自动控制中的应用西安电子科技大学出版社