1、 自动控制原理及系统仿 真课程设计 学 号： 1030620227 姓 名： 李斌 指导老师： 胡开明 学 院：机械与电子工程学院2013年11月 目录1、 设计要求.12、 设计报告的要求.13、 题目及要求.1（一）自动控制仿真训练.1（二）控制方法训练.19（三）控制系统的设计.234、 心得体会.275、 参考文献.28 自动控制原理及系统仿真课程设计一：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
2、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。4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。二：设计报告的要求：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：题目及要求一）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；MATLAB代码：num=1den=3 1G=tf(num,den)E F
3、=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)num=2den=3 1 0G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)仿真结果：num =2den =3 1 0Transfer function: 2-3 s2 + s E = Empty matrix: 0-by-1 F = 0.6667 A =-0.3333 0 1.0000 0B= 1 0C = 0 0.6667D = 0num = 1den =3 1Transfer function: 1-3 s + 1E =Empty matrix: 0-by-1F =0.3333A =
4、-0.3333B =1C =0.3333D =0在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型。MATLAB代码：num1=1den1=3 1G1=tf(num1,den1)num2=2den2=3 1 0G2=tf(num2,den2)G3=G1*G2G4=G1+G2仿真结果：num1 =1den1 =3 1Transfer function: 1-3 s + 1 num2 =2 den2 = 3 1 0 Transfer function: 2 - 3 s2 + s Transfer function: 2-9 s3 + 6 s2 + s Transfer function:
5、 3 s2 + 7 s + 2-9 s3 + 6 s2 + s 2. 系统的传递函数模型为，判断系统的稳定性。MATLAB代码：num=1 7 24 24den=1 10 35 50 24G=tf(num,den)p=eig(G)p1=pole(G)r=roots(den)仿真结果：num = 1 7 24 24den = 1 10 35 50 24Transfer function: s3 + 7 s2 + 24 s + 24-s4 + 10 s3 + 35 s2 + 50 s + 24p =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000p1=-4.0000 -3.0000
6、-2.0000 -1.0000r =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.00003. 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代码：num=1den=conv(1 2.73 0,1 2 2)rlocus(num,den)axis(-8 8 -8 8)figure(2)r=rlocus(num,den);plot(r,-)axis(-8 8 -8 8)gtext(x)gtext(x)gtext(x)仿真结果：num =1den =1.0000 4.7300 7.4600 5.4600 04. 已知系统的开环传递函
7、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代码：s=tf(s)G=5*(10*s+1)/(s*(s2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)figure(1)bode(G)gridfigure(2)nyquist(G)gridaxis(-2 2 -5 5)仿真结果：Transfer function:sTransfer function: 50 s + 5-0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + s5考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为，用MATLAB语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。MATLAB代码：num=4de
8、n=1 2 3 4G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1 -3den=1 3G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num=1den=0.01 1G=tf(num,den)G0=feedback(G,1)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)num1=4den1=1 2 3 4G1=tf(num1,den1)num2=1 -3den2=1 3G2=tf(num2,den2)num3=1den3=0.01 1G3=
9、tf(num3,den3)G=G1*G2G0=feedback(G,G3)step(G0)y,t=step(G0)plot(t,y)figure(2)step(G)y,t=step(G)plot(t,y)仿真结果：num =4den =1 2 3 4Transfer function: 4-s3 + 2 s2 + 3 s + 4Transfer function: 4-s3 + 2 s2 + 3 s + 8 y =1.0e+024 *0-0.8394 2.3467 -3.8466 4.9206 -5.0901 3.9226t = 0 1.4293 2.8586 4.2879 5.7172 7.
10、1465 8.5758 . . 464.5216 465.9509 467.3802 468.8094num =1 -3den =1 Transfer function:s - 3-s + 3Transfer function:s - 3- 2 s y = 1.0e+004 *num =1den =0.0100 1.0000Transfer function: 1-0.01 s + 1Transfer function: 1-0.01 s + 2y =0t=0num1 =4den1 =1 2 3 4Transfer function: 4-s3 + 2 s2 + 3 s + 4num2 =1
11、-3den2 =1 3Transfer function:s - 3-s + 3num3 =1den3 =0.0100 1.0000Transfer function: 1-0.01 s + 1Transfer function: 4 s - 12-s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12Transfer function: 0.04 s2 + 3.88 s - 12-0.01 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 sy = 1.0e+004 *t=0二）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
12、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。Simulink仿真如下：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。Simulink仿真如下：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。Simulink仿真如下：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
13、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
14、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/min0123456789H/cm00.674.765.967.638.308.839.399.8310.05T/min10111213141516171819H/cm10.1610.4010.5010.6310.7210.7610.8310.8910.8910.89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/min00.371.372.373.37
15、4.375.376.377.37H/cm01.172.163.163.835.175.305.836.50T/min8.379.3710.3711.3712.3713.3714.3715.3716.37H/cm7.037.547.838.368.509.039.179.509.76T/min17.3718.3719.3720.3721.3722.3723.3724.3725.37H/cm9.8310.1010.3610.5010.8410.8410.8410.8410.84Simulink仿真如下：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
16、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
17、.002s，转速环滤波时间常数Ton=0.01s。Simulink仿真如下：四、心得体会 通过为期三天的课程设计，我有如下几点感想： 首先，通过这次课程设计让我熟悉并掌握了MATLAB软件的使用方法，而且通过频繁地使用MATLAB对传递函数、零极点、状态空间表达方法和串联、并联、反馈后得到的系统模型进行仿真，通过MATLAB绘制Bode图、Nyquist图，对系统稳定性进行判定等，复习了从MATLAB与控制系统仿真实践中学到的知识，并加深了对其的理解与运用。 其次，通过对微分先行控制、smith预估控制、大林算法控制进行调试仿真，明白了它们之间的区别,加深了对微分先行控制、smith预估控制、大林算法控制的理解。 最后，通过这次课程设计将理论知识与实际相结合，大大的加强了我的实际动手能力，让我知其然也知其所以然。而且，在实验的过程中遇到困难时，通过查资料问同学最后终于完成设计，感觉自己收获很多，既巩固了从课本中所学的知识，又拓展了视野，还加强了自学能力，为以后的发展大下了良好的基础。五、参考文献1 MATLAB与控制系统仿真实践 第二版 北京航空航天大学出版社2 微机计算机控制技术 第二版 清华大学出版社3 电力拖动自动控制系统.运动控制系统 第四版 机械工业出版社
