交通运输自动控制原理课程设计报告.docx

1、交通运输自动控制原理课程设计报告 交通运输自动控制原理 课程设计报告 1 自动控制系统建模设计 1 1.1系统建模题目1 . 1 1.1.1基本构成及机理分析 2 1.1.2反馈控制结构模型及工作原理 2 2 自动控制系统仿真实验分析 7 2.1系统仿真实验题目1 7 2.1.1实验步骤 7 2.1.2实验分析计算依据 7 2.1.2结论图表数据分析 7 2.2系统仿真实验题目2 8 2.3系统仿真实验题目3 8 附录A 程序源代码 40 附录B 42 44 参考文献 1 自动控制系统建模设计1 系统建模题目1 1运用自动控制系统的基本构成及反馈控制原理对查阅控制系统的相关专业资料， 通控制系

2、统进行机理分析，建立其反馈控制结构模型，阐明系统的工作原理。(ATO-Automatic 系统即列车自动驾驶子系统ATO我们选择系统进行研究。ATOATOcontrol，ATC)重要的子系统。TrainOperation)。是列车控制系统(automatic train 限制ATP系统能代替司机驾驶列车，使列车平稳地加速到运行速度，并根据接收到的到站停车速度曲线自动调整列车速度，实现列车牵引加速、匀速惰行、速度命令和ATO系统的功能分为基本控制功能和服务功ATO减速制动控制和精确停车等基本驾驶功能。能。基本控制功能包括：自动驾驶、自动折返、自动控制车门、屏蔽门开闭。这三个基本控制功能相互之间独

3、立地运行。服务及其他功能包括：故障自诊断、运行信息记录、 PTI(列车位置、允许速度、巡航/惰行功能、列车识别系统)支持功能。中自动驾驶（即自动调整列车速度）的功能，研究ATO 在这里我们主要分析 其自动控制的结构模型。 1.1.1 基本构成及机理分析速度控制器和PID由运行等级模式曲线计算模块、ATO系统的速度调整系统构成：受控对象（列车运行模型）共同组成。运行等级模式曲线的计算模块根据当前区间情况速度控制器根据选定的运行等级，以该等级的运行等离线计算运行等级模式曲线，PID级模式的目标速度一距离曲线为目标曲线，输出速度信号施加给受控对象（列车运行模 ，控制列车快速平稳的跟随给定的目标速度曲

4、线。型） 其速度控制系统的框图如图所示。 级等运行线模式曲计算模块 PID 控制器+ 受控对象运（列车行模型） 速度 - 1 反馈控制结构模型及工作原理1.1.2 速度PIDV 受控对象 控制器 + - 、proportion）PIDATO上图为控制系统的反馈结构模型。PID速度控制器即（比例（）积分（integration、微分（differentiation）、积分单元（I）控制器，由比例单元（P ）组成，传递函数为：和微分单元（D Kd三个参数常量通过系统整定得到。KiKp 、 受控对象即为列车模型，这里我们取列车模型的传递函数为： 所以整个闭环系统的传递函数为： 通过相关参数整定方法，

5、我们可以得知： 工作原理：在求和单元，来自运行等级模式曲线计算模块的目标速度信号和实际速这个控制器把收集到的实际速度信号和一个目号相加，度信共同输入速度控制器，PID标速度信号进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的信号达到或者保持在目标速度。接着新的输入信号传递到列车，通过相关 设备调整列车实际运行速度，最后设备观测的实际速度信号又反馈回求和单元。的实际速度信号，（列车）由相关设备获得被控对象整个控制过程即反馈控制原理： PID通过控制器比较计算，输出调整信号又作用于被控对象调整实际运行速度。 2 2 自动控制系统仿真实验分析1 21 系统仿真实验题目

6、软件，对下图所示交通控制系统的特性进行仿真实验分析。使用Matlab 被控对象实际运行位置 位置目标变量 列车或机动车(S) R(S) Y变量 速度1/(s+2)(s+8) 1/s K1 _ _ =5 K2 列车或机动车运行（位置）自动控制系统 ，仿真分析闭环系统稳定裕度。(BodeK）绘制=200时的开环对数频率特性图图) （11 2（）绘制关于参数K1的闭环系统的根轨迹图，仿真分析闭环系统的稳定性。 实验步骤2.1.1 第一步：根据题目中的框图图求出其开环传递函数。(1) 软件画出Bode图。第二步：由求出来的开环传递函数运用Matlab bode图求解稳定裕度。第三步：然后用Matlab

7、对 第一步：由题求出其闭环系统的开环传递函数2（） 由开环传递函数画出其闭环系统的根轨迹图。第二步：运用函数语句rlocus(sys) 第三步：分析根轨迹图，讨论系统稳定性。 2.1.2 实验分析计算依据 由框图计算系统开环传递函数：F(s)=1/(s2+10*s+21) 被控对象传递函数为：G(s)=k1* F(s)*1/s=200/(s*(s2+10*s+21) k1=200时系统开环传递函数为：G= k1*1/(s*(s2+10*s+21) 系统开环传递函数为： 结论图表数据分析2.1.3 3 利用(1)matlab绘制开环对数频率特性图：Bode Diagram5-5-10-15-9-

8、13-18-22-27-11111Frequency (rad/s 上图为幅频特性曲线图，下图为相频特性曲线图 仿真分析闭环系统的稳定裕度：matlab同时利用 4 Bode DiagramGm = 0.424 dB (at 4.58 rad/s) , Pm = 1.29 deg (at 4.47 rad/s)500)Bd( ed-50utingaM-100-150-90-135)ged(-180 esahP-225-270-101010Frequency (rad/s)1011 1.29deg 为，相角裕度为0.424dBPm幅值裕度由图形可知, Gm系30-60deg.相角裕度所以该系统稳

9、定裕度较小，工程上推荐幅值裕度大于6dB， 统已经濒临不稳定，系统的灵敏性和快速性较强，同时系统的振荡也较激烈。语句绘制闭环系统根，用1/(s*(s2+10*s+21)rlocus(sys)利用开环传递函数(2) K1=Gain. 轨迹图，在根轨迹图上任意选择轨迹上某点就可以得到对应的参数 5Root Locu2System: Gain: 79System: 1ole: 1.54 + 7.67Gain: 20Damping: -0.19ole: -0.00217 + 4.58Overshoot (%): 18Damping: 0.000471Frequency (rad/s): 7.8Over

10、shoot (%): 99.Frequency (rad/s): 4.5System: Gain: -ole: System: Damping: -Gain: 20Overshoot (%): -1System: ole: -0.00474 - 4.57Frequency (rad/s): Gain: 85Damping: 0.0010ole: 1.63 - 7.85Overshoot (%): 99.-1Damping: -0.20Frequency (rad/s): 4.5Overshoot (%): 19Frequency (rad/s): 8.0-21-1-1-2-2-Real Axi

11、s (second K1=209,0,209个极点，粗略估计分别当由根轨迹图我们可以发现，在虚轴上有3 后系统不稳定。大于209209左右 ，当K1时取得。说明系统稳定的范围在K1取02 2 系统仿真实验题目2 。K=5.3司机驾驶汽车的模型如下图所示，其中， 求出系统的闭环频率响应、增益裕度和相角裕度；）若反应时间T=0,a（ 时，估算系统的相角裕度；T=0.1s（b）当 ，计算所需的反应时间。00c（）为使系统临界稳定（即相角裕度为） 6 方向盘 R(s) 预期路线sT?e100100100 汽车K 2sC(s) 横向偏移505050 s 0-50-900-5000-500 预测器232?

12、.8s0.s0? 实验步骤2.2.1 图求闭环频绘制开环bode）根据题目框图求出系统开环传递函数；用（amatlab 率特性、增益裕度、相角裕度。图Bodematlab（b）根据题目框图求出系统开环传递函数；并且用绘制出相应的 求出相角裕度。求出系统相角裕度的具体数值，令反应时间为一系列连续取值，matlab（c）利用 编写循环程序，找到相角裕度为零时的反应时间。 2.2.2 实验分析计算依据G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3) T=0时系统开环传递函数：G=5.3/(s3+5.3*s2+5.3*0.8*s+5.3*0.32) T=0时系统闭环传递函数：G=exp(-0.1

13、*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3 T=0.1时系统开环传递函数：G=exp(-t*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3 开环 2.2.3 结论图表数据分析 ）系统的闭环频率响应、增益裕度和相角裕度（a 7 Bode DiagramGm = -22.4 dB (at 0.566 rad/s) , Pm = 81.3 deg (at 5.3 rad/s)150 )Bd( edutingaM -135)ged(-180 esahP-225-27021-1-201010101010Frequency (rad/s) 81.3deg Pm，相角裕度为Gm由图可知幅值裕度

14、为-22.4dB 系统不稳定。 时估算系统相角裕度T=0.1b（） 8 Bode DiagramGm = 9.14 dB (at 15.2 rad/s) , Pm = 51 deg (at 5.3 rad/s)150 )Bd( edutingaM -180)ged(-360 esahP-540-720201-2-11010101010Frequency (rad/s) Pm=51deg时估算系统相角裕度由上图可知，当T=0.1 ，计算所需的反应时间。00）c（）为使系统临界稳定（即相角裕度为之间，将0.5到通过前期工作循环迭代工作，大概确定满足要求的最优反应时间在0.1 ，带入程序求最优值。步

15、长取值范围确定在T0.1-0.50.0001 9 Bode DiagramGm = -0.00569 dB (at 5.3 rad/s) , Pm = -0.00794 deg (at 5.3 rad/s)150 )Bd( edutingaM -360)ge-720d( es-1080ahP-1440-180021-2-101010101010Frequency (rad/s) T=0.2677 由循环程序求出临界反应时间为 0，系统处于临界稳定。约等于此时系统Pm3 3 系统仿真实验题目2人们常用电子电路和计算机来控制汽车。下图给出了一个汽车驾驶控制系统的例 。子，其中，控制杆负责操纵车轮。

16、假定司机的反应时间T=0.2s ；的取值，使闭环系统的谐振峰Bode图确定增益KMp不大于2dB）用（a ）根据Mp或相角裕度分别估计系统的阻尼系数，若所得结果不同，请解释原因；b（ c（）估计闭环系统的带宽。 10 Y(s) 人的反应时间R(s) sT?e 车和前轮 控制杆KSystem: Geak gain (dB): 2PAt frequency (rad/s): 3.14行驶方向)s?1s(0.1 2.3.1 实验步骤值的大概范围，然后在此范围内连续取一系列的）使用循环求解法。前期试凑出K（a K值，找出符合条件的最优KK值。求出的取值范围。分别利用两种公式求出系统的阻尼系数，比Mp与

17、（b）取PmK=2，求出此时系统的 较差异，分析误差原因。）利用系统闭环传递函数，求出系统带宽。控制系统的闭环频率响应包括带宽和谐（c分贝所对应的频率，谐3图中幅频特性曲线下降到振峰值，带宽指闭环系统的bode 可以直接求出带宽振峰值指幅频特性曲线图中最大幅频值。bandwidth(sys) 2.3.2 实验步骤实验分析计算依据G=k*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+k*exp(-0.2*s) 系统闭环传递函数：G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s) 时闭环传递函数：t=2系统G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s2+s) 时开环传递

18、函数：系统t=2 结论图表数据分析2.3.3 ；不大于的取值，使闭环系统的谐振峰图确定增益）用（aBodeKMp2dB 11 Bode Diagram20 0-20)Bd( ed-40utingaM-60-80-1003-10211010101010 Frequency (rad/s)2 ，此时谐振峰值为由循环程序得最优K值为2.4780 ）0，2.4780K所以的取值范围为（ 或相角裕度分别估计系统的阻尼系数，若所得结果不同，请解释原因；b）根据（MpPm = 3.0576deg ，由程序求出此时系统Mp=0.4837dB 阻尼系数 = 由谐振峰值求得阻尼系数为：= 由相角裕度求得阻尼系数为

19、： 误差原因：（c）估计闭环系统的带宽。设K=2。此时闭环系统带宽用bandwidth(sys)语句求出。 同时绘制bode图，由图形求带宽，验证结果。 12 rad/s ）0由函数语句求出系统带宽为（，4.2744Bode Diagram20 System: Frequency (rad/s): 4.2Magnitude (dB): -3-20)Bd( ed-40utingaM-60-80-10031-1021010101010 Frequency (rad/s)4.27rad/s 对应的频率为带宽频率由闭环系统bode-3dB图可知，幅值 与函数求出的带宽值符合 程序源代码 附录A 程序源

20、代码：系统仿真实验题目1: 1.Bode图绘制代码 s=tf(s) G=200/(s*(s2+10*s+21) bode(G) grid 13 :2.Bode图稳定裕度代码 s=tf(s) G=200/(s*(s2+10*s+21) margin(G): 根轨迹图源代码3. s=tf(s) G=1/(s*(s2+10*s+21) rlocus(G) 2系统仿真实验题目程序源代码： T=0求闭环频率响应、增益裕度和相角裕度：1. s=tf(s); G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3); margin(G); 求相角裕度：T=0.12. s=tf(s); G=exp(-0.1*s

21、)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3; margin(G); 3. 系统临界稳定，计算所需反应时间：clc; clear; t=0.1:0.0001:0.5; %t的取值范围s=tf(s); for i=1:4000 G=exp(-t(i)*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3 %传递函数Gm,Pm,Wcg,Wcp = margin(G); if 0Pm=2; %谐振峰判断条件break end K=k(i); %值最优Kend bode(G) 图画出bode % 闭环系统谐振峰值求2. K=2时 s=tf(s); G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s); m,p,w,=bode(G); mr=max(m); Mp=20*log10(mr); Mp 15 闭环系统谐振相角裕度时求K=2 s=tf(s); G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s2+s); Pm = margin(G); Pm 3.求K=2时闭环系统带宽： s=tf(s); G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s); bandwidth(G) B 附录 16