自動控制理論課程設(shè)計

1、<p><b>　　《自動控制理論》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一 課程設(shè)計目的 …………………………………………………………2</p><p>　　二 簡述MATLAB語言

2、的主要功能及其特點………………………………2</p><p>　　三 設(shè)計原理 ………………………………………………………………3</p><p>　　四 設(shè)計內(nèi)容及其仿真實驗過程…………………………………………4</p><p>　　五 心得體會及建議 ……………………………………………………15</p><p>　　六 參考文獻 …

3、……………………………………………………………16</p><p>　　《自動控制理論》課程設(shè)計報告</p><p><b>　　一 課程設(shè)計目的</b></p><p>　　1．了解matlab軟件的基本特點和功能,熟悉其界面、菜單和工具條；掌握線性系統(tǒng)模型的計算機表示方法、變換以及模型間的相互轉(zhuǎn)換。了解控制系統(tǒng)工具箱的組成、特點及應(yīng)用；掌握

4、求線性定常連續(xù)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的方法，運用連續(xù)系統(tǒng)時域響應(yīng)函數(shù)（impulse,step,lsim），得到系統(tǒng)的時域響應(yīng)曲線。</p><p>　　2．掌握使用MATLAB軟件作出系統(tǒng)根軌跡；利用根軌跡圖對控制系統(tǒng)進行分析；掌握使用MATLAB軟件作出開環(huán)系統(tǒng)的波特圖，奈奎斯特圖；觀察控制系統(tǒng)的觀察開環(huán)頻率特性，對控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性進行分析；</p><p>　　3．掌握MATLAB軟件中

5、simulink工具箱的使用；熟悉simulink中的功能模塊，學會使用simulink對系統(tǒng)進行建模；掌握simulink的仿真方法。</p><p>　　4． 掌握在SIMULINK環(huán)境下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的形成方法及整體傳遞函數(shù)的求取方法；</p><p>　　5．了解在MATLAB環(huán)境下求取系統(tǒng)的輸出時域表達式的方法。</p><p>　　二 簡述MATLAB語言的

6、主要功能及其特點</p><p>　　簡述MATLABLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究

7、、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 </p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 m

8、atlab開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。具有用法簡單、靈活、程式結(jié)構(gòu)性強、延展性好等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為科技計算、視圖交互系統(tǒng)和程序中的首選語言工具。特別是它在線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、動態(tài)系統(tǒng)仿真等方面表現(xiàn)突出，已經(jīng)成為科研工作人員和工程技術(shù)人員進行科學研究和生產(chǎn)實踐的有利武器。MATLAB具有以下幾個特點： 功能強大的數(shù)

9、值運算功能，強大的圖形處理能力 高級但簡單的程序環(huán)豐富的工具箱 </p><p><b>　　三 設(shè)計原理</b></p><p>　　1. tf對象(傳遞函數(shù))</p><p>　　num[]傳遞函數(shù)分子系數(shù)；den[]傳遞函數(shù)分母系數(shù)。</p><p>　　由行數(shù)組組成的單元陣列，高次到低次表示。</p>

10、<p>　　傳遞函數(shù)表示G(s)＝tf（num[]，den[]）；</p><p>　　兩傳遞函數(shù)并聯(lián)表示：G(s)＝parallel(G1(s) ,G2(s))； </p><p>　　兩傳遞函數(shù)串聯(lián)表示：G(s)＝series（G1(s) ,G2(s)）；</p><p>　　負反饋連接表示：G(s)＝feedback（G1(s) ,G2(s)）。

11、</p><p><b>　　2. 時域響應(yīng)</b></p><p>　　主要函數(shù)：roots，setp，impulse，initial。</p><p>　　函數(shù)roots，計算方程的根；</p><p>　　函數(shù)setp，繪制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線；</p><p>　　函數(shù)impulse，繪制

12、系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)曲線； </p><p><b>　　3. 根軌跡</b></p><p>　　主要函數(shù)有：pzmap,rlocus,rlocfind,sgrid,zgrid.</p><p>　　函數(shù)pzmap為在復平面內(nèi)標出傳遞函數(shù)的零、極點；</p><p>　　函數(shù)rlocus為在復平面內(nèi)繪制根軌跡；</p

13、><p>　　函數(shù)rlocfind求分離點的坐標和分離處所對應(yīng)的K值。</p><p><b>　　4. 頻率法</b></p><p>　　主要函數(shù)有：bode，nyquist，margin。</p><p>　　函數(shù)bode為繪制伯德圖命令；</p><p>　　函數(shù)nyquist為繪制奈奎斯特曲

14、線圖命令；</p><p>　　函數(shù)margin為計算幅值欲度和相角欲度及對應(yīng)點的頻率值。</p><p>　　[gm,pm ,wcg,wcp ]=margin(mun,den),gm表示幅值欲度；pm表示相角欲度；wcg表示nyquist曲線與負實軸交點頻率；wcp表示截止頻率。</p><p>　　5. 在SIMULINK中建立系統(tǒng)</p><

15、;p>　?。?） SIMULINK的啟動：在MATLAB命令窗口的工具欄中單擊按鈕或者在命令提示符>>下鍵入simulink命令，回車后即可啟動Simulink程序。啟動后軟件自動打開Simullink模型庫窗口，如圖 7所示。這一模型庫中含有許多子模型庫，如Sources(輸入源模塊庫)、Sinks(輸出顯示模塊庫)、Nonlinear(非線性環(huán)節(jié))等。若想建立一個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，則應(yīng)該選擇File| New菜單中

16、的Model選項，或選擇工具欄上new Model按鈕，打開一個空白的模型編輯窗口如圖 8所示。</p><p>　　圖 7　simulink 模型庫</p><p><b>　　圖8　模型編輯窗口</b></p><p>　　(2) 畫出系統(tǒng)的各個模塊：打開相應(yīng)的子模塊庫，選擇所需要的元素，用鼠標左鍵點中后拖到模型編輯窗口的合適位置。<

17、/p><p>　　(3) 給出各個模塊參數(shù)：由于選中的各個模塊只包含默認的模型參數(shù)，如默認的傳遞函數(shù)模型為1/(s+1)的簡單格式，必須通過修改得到實際的模塊參數(shù)。要修改模塊的參數(shù)，可以用鼠標雙擊該模塊圖標，則會出現(xiàn)一個相應(yīng)對話框，提示用戶修改模塊參數(shù)。</p><p>　　(4) 畫出連接線：當所有的模塊都畫出來之后，可以再畫出模塊間所需要的連線，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。模塊間連線的畫法很簡單，只需

18、要用鼠標點按起始模塊的輸出端（三角符號），再拖動鼠標，到終止模塊的輸入端釋放鼠標鍵，系統(tǒng)會自動地在兩個模塊間畫出帶箭頭的連線。若需要從連線中引出節(jié)點，可在鼠標點擊起始節(jié)點時按住Ctrl鍵，再將鼠標拖動到目的模塊。</p><p>　?。?）指定輸入和輸出端子：在Simulink下允許有兩類輸入輸出信號，第一類是仿真信號，可從source(輸入源模塊庫)圖標中取出相應(yīng)的輸入信號端子，從Sink(輸出顯示模塊庫)圖標

19、中取出相應(yīng)輸出端子即可。第二類是要提取系統(tǒng)線性模型，則需打開Connection(連接模塊庫)圖標，從中選取相應(yīng)的輸入輸出端子。</p><p>　　四 設(shè)計內(nèi)容及其仿真實驗過程</p><p>　　1.用matlab語言編制程序，實現(xiàn)以下系統(tǒng)：</p><p>　　1） 2）</p><p>　?。? ）在MATLAB命

20、令窗口（Command Window）鍵入以下程序</p><p>　　>> num=[5 24 0 18];</p><p>　　>> den=[1 4 6 2 2];</p><p>　　>> G=tf(num,den)</p><p><b>　　運行結(jié)果：</b></p&

21、gt;<p>　　Transfer function:</p><p>　　5 s^3 + 24 s^2 + 18</p><p>　　-----------------------------</p><p>　　s^4 + 4 s^3 + 6 s^2 + 2 s + 2</p><p>　　(2) 多項式相乘項，可借助多項式

22、乘法函數(shù)conv來處理。</p><p>　　在MATLAB命令窗口（Command Window）鍵入以下程序：</p><p>　　num=4*conv([1,2],conv([1,6,6],[1,6,6]));</p><p>　　den=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,1],conv([1,1],[1,3,2,5]))));<

23、;/p><p>　　sys=tf(num,den)</p><p>　　G=zpk(sys)</p><p><b>　　運行結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer function:</p><p>　　4 s^5 + 56 s^4 + 288 s^3 + 672 s^2 + 720

24、s + 288</p><p>　　-----------------------------------------------------</p><p>　　s^7 + 6 s^6 + 14 s^5 + 21 s^4 + 24 s^3 + 17 s^2 + 5 s</p><p>　　Zero/pole/gain:</p><p>　　

25、4 (s+4.732)^2 (s+2) (s+1.268)^2</p><p>　　---------------------------------------------</p><p>　　s (s+2.904) (s+1)^3 (s^2 + 0.09584s + 1.722)</p><p><b>　　>></b><

26、;/p><p>　　2.兩環(huán)節(jié)G1、G2串聯(lián)，求等效的整體傳遞函數(shù)G(s)</p><p>　　在MATLAB命令窗口（Command Window）鍵入以下程序</p><p>　　>> G1=tf(2,[1 3]);</p><p>　　G2=tf(7,[1 2 1]);</p><p>　　G=seri

27、es(G1,G2)</p><p><b>　　運行結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　14</b></p><p>　　---------------------</p><p>　　s^3 + 5 s^2

28、+ 7 s + 3</p><p><b>　　>></b></p><p>　　3.兩環(huán)節(jié)G1、G2并聯(lián)，求等效的整體傳遞函數(shù)G(s)</p><p>　　在MATLAB命令窗口（Command Window）鍵入以下程序</p><p>　　>> G1=tf(2,[1 3]);</p&

29、gt;<p>　　G2=tf(7,[1 2 1]);</p><p>　　>> G=parallel(G1,G2)</p><p><b>　　運行結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer function:</p><p>　　2 s^2 + 11 s + 23</p>

30、<p>　　---------------------</p><p>　　s^3 + 5 s^2 + 7 s + 3</p><p><b>　　>></b></p><p>　　4.已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖，求閉環(huán)傳遞函數(shù)。其中的兩環(huán)節(jié)G1、G2分別為</p><p>　　G1=tf([3,100]

31、,[1,2,81]);</p><p>　　G2=tf(2,[2,5]);</p><p>　　G=feedback(G1,G2,-1)</p><p>　　Transfer function:</p><p>　　6 s^2 + 215 s + 500</p><p>　　----------------------

32、-----</p><p>　　2 s^3 + 9 s^2 + 178 s + 605</p><p>　　>> G1=tf([3,100],[1,2,81]);</p><p>　　G2=tf(2,[2,5]);</p><p>　　G=feedback(G1,G2,1)</p><p>　　Transf

33、er function:</p><p>　　6 s^2 + 215 s + 500</p><p>　　---------------------------</p><p>　　2 s^3 + 9 s^2 + 166 s + 205</p><p><b>　　>></b></p><

34、p>　　5.已知某閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，求其單位階躍響應(yīng)曲線，單位脈沖響應(yīng)曲線。</p><p>　　G=tf([10 25],[0.16 1.96 10 25]);impulse(G);title('脈沖響應(yīng)') </p><p>　　>> G=tf([10 25],[0.16 1.96 10 25]);step(G);title('單位階躍響應(yīng)

35、') </p><p>　　6.典型二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 ， 為自然頻率， 為阻尼比，試繪出當=0.5，分別取-2、0、2、4、6、8、10時該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線；分析阻尼比分別為–0.5、–1時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　%ζ=0.5</b></p><p>　　

36、sys1=tf([0],[1 0 0]);</p><p>　　sys2=tf([4],[1 2 4]);</p><p>　　sys3=tf([16],[1 4 16]);</p><p>　　sys4=tf([36],[1 6 36]);</p><p>　　sys5=tf([64],[1 8 64]);</p><p

37、>　　sys6=tf([100],[1 10 100]);</p><p>　　step(sys1,sys2,sys3,sys4,sys5,sys6);</p><p>　　>> title('單位階躍響應(yīng)曲線')</p><p>　　>> %ζ=-0.5</p><p>　　sys1=tf([0

38、],[1 0 0]);</p><p>　　sys2=tf([4],[1 -2 4]);</p><p>　　sys3=tf([16],[1 -4 16]);</p><p>　　sys4=tf([36],[1 -6 36]);</p><p>　　sys5=tf([64],[1 -8 64]);</p><p>　　

39、sys6=tf([100],[1 -10 100]);</p><p>　　step(sys1,sys2,sys3,sys4,sys5,sys6);</p><p>　　title('單位階躍響應(yīng)曲線')</p><p><b>　　>></b></p><p><b>　　%ζ=-

40、1</b></p><p>　　sys1=tf([0],[1 0 0]);</p><p>　　sys2=tf([4],[1 -4 4]);</p><p>　　sys3=tf([16],[1 -8 16]);</p><p>　　sys4=tf([36],[1 -12 36]);</p><p>　　sy

41、s5=tf([64],[1 -16 64]);</p><p>　　sys6=tf([100],[1 -20 100]);</p><p>　　step(sys1,sys2,sys3,sys4,sys5,sys6);</p><p>　　title('單位階躍響應(yīng)曲線')</p><p>　　7. 設(shè)有一高階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

42、，試繪制該系統(tǒng)的零極點圖和閉環(huán)根軌跡圖。</p><p>　　G=tf([0.016 0.218 1.436 9.359],[0.06 0.268 0.635 6.271]);</p><p>　　figure(1);pzmap(G);title('零極點圖')</p><p>　　figure(2);rlocus(G);sgrid;title(&#

43、39;根軌跡圖')</p><p>　　8.單位反饋系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)為： ，試繪制該系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist曲線，說明軟件繪制曲線與手動繪制曲線的異同。</p><p>　　>> G=tf([2 8 12 8 2],[1 5 10 10 5 1 0]);</p><p>　　figure(1);bode(G);title('

44、Bode圖')</p><p>　　figure(2);nyquist(G);title('Nyquist曲線') </p><p>　　>> 9．已知某控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，試繪制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線，并求出系統(tǒng)的幅值與相位裕量。</p><p>　　>> G1=tf([1.5],[ 1 0]);</p&g

45、t;<p>　　G2=tf(1,[1 1]);</p><p>　　G3=tf(1,[1 2]);</p><p>　　G=G1*G2*G3;</p><p>　　[num,den]=tfdata(G);</p><p>　　[mag,phase,w]=bode(num,den);subplot(211);</p>

46、<p>　　semilogx(w,20*log10(mag));</p><p>　　subplot(212);</p><p>　　semilogx(w,phase);</p><p>　　[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w)</p><p><b>　　gm =</b>&

47、lt;/p><p><b>　　4.0000</b></p><p><b>　　pm =</b></p><p><b>　　41.5257</b></p><p><b>　　wcg =</b></p><p><b>　

48、　1.4142</b></p><p><b>　　wcp =</b></p><p><b>　　0.6114</b></p><p><b>　　>></b></p><p>　　10.在SIMULINK中建立系統(tǒng)，該系統(tǒng)階躍輸入時的連接示意圖如下。

49、k為學生學號后三位。繪制其單位階躍響應(yīng)曲線，分析其峰值時間tp、延遲時間td、上升時間tr、調(diào)節(jié)時間ts及超調(diào)量。</p><p><b>　?。?）峰值時間</b></p><p><b>　　num =217</b></p><p>　　timeopeak =</p><p><b>

50、　　0.2209</b></p><p><b>　?。?）超調(diào)量</b></p><p>　　>> c=dcgain(G);</p><p>　　[Y,K]=max(y);</p><p>　　percentovershoot=100*(Y-c)/c</p><p>　　

51、percentovershoot =</p><p><b>　　36.4608</b></p><p><b>　?。?）上升時間</b></p><p>　　>> c=dcgain(G);</p><p><b>　　n=1;</b></p>&l

52、t;p>　　while y(n)<c</p><p><b>　　n=n+1;</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　risetime=t(n)</p><p>　　risetime =</p><p><b>　　0

53、.1350</b></p><p><b>　?。?）調(diào)節(jié)時間</b></p><p>　　>> c=dcgain(G);</p><p>　　i=length(t);</p><p>　　while(y(i)>0.98*c)&(y(i)<1.02*c)</p>

54、<p><b>　　i=i-1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　setllingtime=t(i)</p><p>　　setllingtime =</p><p><b>　　0.7607</b></p>&l

55、t;p>　　*11. 給定系統(tǒng)如下圖所示，試設(shè)計一個串聯(lián)校正裝置，使幅值裕度大于h>10分貝、相位裕度γ≥45º</p><p>　　五 心得體會及建議 </p><p>　　雖然以前在自動控制理論以及信號與系統(tǒng)等課本上都見到過MATLAB的一些簡單介紹，但對 MATLAB這一軟件的深入學習還是在這次實訓中。這次實訓雖然只有短短的三四天時間，我們真正上機操作的時間也

56、不多。由于之前對MATLAB不是太熟悉，再加上自動控制原理的知識在課堂上掌握的也不是很好，所以這次課程設(shè)計對于我來說是不太輕松的。星期一老師布置任務(wù)后的第一件事就是去圖書館借相關(guān)的書籍進行借鑒和參考。由于這些書上講的比較精簡易懂，看完之后便對MATLAB 有了更深地了解和懂得了一些簡單編程，當要用什么功能時，就在書上翻看相應(yīng)部分的內(nèi)容，在這樣的情況下開始MATLAB軟件的學習及其運用。 </p><p>　　當然

57、在這幾天的課程設(shè)計中更多的得益于老師在上課期間的講解及其老師給我們的資料。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師和同學幫助下，終于得到了解決。這次課程設(shè)計讓我對計MATLAB算機仿真有了新的認識，也讓我認識到了自己對MATLAB軟件學習的不足，自動控制在社會應(yīng)用中很廣泛，熟練的運用MATLAB可以方便快捷的解決生產(chǎn)實際問題，我在這次課程設(shè)計中學會對一些簡單系統(tǒng)的分析及其仿真，會了一些簡單指令及相應(yīng)的編程。但是還存

58、在許多不足還不能利用MATLAB很好的設(shè)計一個控制系統(tǒng)。因此，在今后的學習中還要不斷地練習MATLAB軟件。增取更深入的了解學習MATLAB軟件，以便熟練的運用于今后的學習和工作中。</p><p>　　課程設(shè)計順利完成，感謝三位老師的辛苦付出，感謝學校提供這次動手實踐的機會。讓我們多掌握了一門功能強大的軟件工具，并將理論與實踐緊密結(jié)合到了一起。但是由于我們已經(jīng)快五個周沒有學習自動控制理論的知識了，遺忘了很多。建

59、議如果有條件，將這樣的實訓加入平時的課程中，我們邊學理論課程邊做課程設(shè)計，就好比平時的實驗一樣。更有利于我們對課本知識的理解。</p><p><b>　　六 參考文獻</b></p><p>　　[1] 張磊 .MATLAB實用教程.民郵電出版社 2008.9</p><p>　　[2] 程鵬.自動控制原理.高等教育出版社.2009.9<