自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì) (3)

1、<p>　　自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)</p><p>　　姓 名： </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 自 動(dòng) 化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

2、 </p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)械與電子工程系 </p><p>　　二零一三年十一月二十四日</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　完成給定題目中，要求完成題目的仿真調(diào)試，給出仿真程序和圖形。</p><p>　　自覺(jué)按規(guī)

3、定時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，做到不遲到，不早退，因事要請(qǐng)假。嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)規(guī)章制度，實(shí)驗(yàn)期間保持實(shí)驗(yàn)室安靜，不得大聲喧嘩，不得圍坐在一起談與課程設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)的空話，若違規(guī)，則酌情扣分。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)是考查動(dòng)手能力的基本平臺(tái)，要求獨(dú)立設(shè)計(jì)操作，指導(dǎo)老師只檢查運(yùn)行結(jié)果，原則上不對(duì)中途故障進(jìn)行排查。</p><p>　　加大考查力度，每個(gè)時(shí)間段均進(jìn)行考勤，計(jì)入考勤分?jǐn)?shù)，按照運(yùn)行的要求給出操

4、作分?jǐn)?shù)。每個(gè)人均要全程參與設(shè)計(jì)，若有1/3時(shí)間不到或沒(méi)有任何運(yùn)行結(jié)果，視為不合格。</p><p>　　Matlab仿真及結(jié)果</p><p>　　一）自動(dòng)控制仿真訓(xùn)練</p><p>　　1.已知兩個(gè)傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　?、僭贛ATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點(diǎn)、和狀態(tài)空間法表示；</p><p>　

5、　傳遞函數(shù)、零極點(diǎn)、和狀態(tài)空間法表示如下</p><p>　　1.1傳遞函數(shù)程序代碼：</p><p><b>　　num=[1]</b></p><p><b>　　den=[3 1]</b></p><p>　　g=tf(num,den)</p><p><b>

6、;　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　num =</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　den =</b></p><p><b>　　3 1</b></p><

7、p><b>　　g =</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　-------</b></p><p><b>　　3 s + 1</b></p><p>　　Continuous-time transfer fu

8、nction.</p><p>　　1.2零極點(diǎn)程序代碼：</p><p>　　Gtf=tf([1],[3 1])</p><p>　　[z,p,k]=zpkdata(Gtf, 'v')</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　z =&

9、lt;/b></p><p>　　Empty matrix: 0-by-1</p><p><b>　　p =</b></p><p><b>　　-0.3333</b></p><p><b>　　k =</b></p><p><b>

10、;　　0.3333</b></p><p>　　1.3狀態(tài)空間法程序代碼：</p><p><b>　　num=[1]</b></p><p><b>　　den=[3 1]</b></p><p>　　gtf=tf(num,den)</p><p>　　gss=

11、ss(gtf)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　gss =</b></p><p><b>　　a = </b></p><p><b>　　x1</b></p><p>　　x1 -0

12、.3333</p><p><b>　　b = </b></p><p><b>　　u1</b></p><p><b>　　x1 0.5</b></p><p><b>　　c = </b></p><p><b>

13、　　x1</b></p><p>　　y1 0.6667</p><p><b>　　d = </b></p><p><b>　　u1</b></p><p><b>　　y1 0</b></p><p>　　Continuous-t

14、ime state-space model.</p><p>　　傳遞函數(shù)、零極點(diǎn)、和狀態(tài)空間法表示如下</p><p>　　2.1傳遞函數(shù)程序代碼：</p><p><b>　　num=[2]</b></p><p>　　den=[3 1 0]</p><p>　　g=tf(num,den)&l

15、t;/p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　num =</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　den =</b></p><p>　　3 1 0&l

16、t;/p><p><b>　　g =</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　---------</b></p><p>　　3 s^2 + s </p><p>　　Continuous-time transfer fu

17、nction.</p><p>　　2.2零極點(diǎn)程序代碼：</p><p>　　Gtf=tf([2],[3 1 0])</p><p>　　[z,p,k]=zpkdata(Gtf, 'v')</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　z

18、=</b></p><p>　　Empty matrix: 0-by-1</p><p><b>　　p =</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　-0.3333</b></p><p><b>

19、;　　k =</b></p><p><b>　　0.6667</b></p><p>　　2.3狀態(tài)空間法程序代碼：</p><p><b>　　num=[2]</b></p><p>　　den=[3 1 0]</p><p>　　gtf=tf(num,den

20、)</p><p>　　gss=ss(gtf)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　gss =</b></p><p><b>　　a = </b></p><p>　　x1 x2</p>

21、<p>　　x1 -0.3333 0</p><p>　　x2 1 0</p><p><b>　　b = </b></p><p><b>　　u1</b></p><p><b>　　x1 1</b></p&

22、gt;<p><b>　　x2 0</b></p><p><b>　　c = </b></p><p>　　x1 x2</p><p>　　y1 0 0.6667</p><p><b>　　d = </b></p>&

23、lt;p><b>　　u1</b></p><p><b>　　y1 0</b></p><p>　　Continuous-time state-space model.</p><p>　?、谠贛ATLAB中分別求出通過(guò)反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系統(tǒng)模型。</p><p><b>

24、;　　1.反饋程序代碼：</b></p><p><b>　　num1=[1];</b></p><p>　　den1=[3 1];</p><p><b>　　num2=[2];</b></p><p>　　den2=[3 1 0];</p><p>　　G1=

25、tf(num1,den1);</p><p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p>　　Gf1=G1/(1+G1*G2)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　Gf1 =</b></p><p>　　9 s^3 + 6

26、s^2 + s</p><p>　　---------------------------------</p><p>　　27 s^4 + 27 s^3 + 9 s^2 + 7 s + 2</p><p>　　Continuous-time transfer function.</p><p><b>　　2.串聯(lián)程序代碼：<

27、;/b></p><p><b>　　num1=[1];</b></p><p>　　den1=[3 1];</p><p><b>　　num2=[2];</b></p><p>　　den2=[3 1 0];</p><p>　　G1=tf(num1,den1);&

28、lt;/p><p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p><b>　　Gp=G1+G2</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　Gp =</b></p><p>　　3 s^2 + 7 s + 2

29、</p><p>　　-----------------</p><p>　　9 s^3 + 6 s^2 + s</p><p>　　Continuous-time transfer function.</p><p><b>　　3.并聯(lián)程序代碼：</b></p><p><b>　　

30、num1=[1];</b></p><p>　　den1=[3 1];</p><p><b>　　num2=[2];</b></p><p>　　den2=[3 1 0];</p><p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　G2=tf(num2,den2);

31、</p><p><b>　　Gs=G2*G1</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　Gs =</b></p><p><b>　　2</b></p><p>　　-----------

32、------</p><p>　　9 s^3 + 6 s^2 + s</p><p>　　Continuous-time transfer function.</p><p>　　系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　程序代碼：</b></p><p>　　num=

33、[1 7 24 24];</p><p>　　den=[1 10 35 50 24];</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　Gc=feedback(G,1)</p><p>　　[num,den]=tfdata(Gc,'v');</p><p>　　r=roots(den

34、)</p><p>　　disp('系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn):');</p><p><b>　　disp(r)</b></p><p>　　a=find(real(r)>=0);</p><p>　　b=length(a);</p><p><b>　　if b>0&l

35、t;/b></p><p>　　disp=('系統(tǒng)不穩(wěn)定.');</p><p>　　else disp('系統(tǒng)穩(wěn)定.');</p><p><b>　　end </b></p><p><b>　　程序結(jié)果：</b></p><p>&

36、lt;b>　　Gc =</b></p><p>　　s^3 + 7 s^2 + 24 s + 24</p><p>　　---------------------------------</p><p>　　s^4 + 11 s^3 + 42 s^2 + 74 s + 48</p><p>　　Continuous-time

37、 transfer function.</p><p><b>　　r =</b></p><p>　　-5.5616 </p><p>　　-2.0000 + 1.4142i</p><p>　　-2.0000 - 1.4142i</p><p>　　-1.4384

38、 </p><p><b>　　系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn):</b></p><p>　　-5.5616 </p><p>　　-2.0000 + 1.4142i</p><p>　　-2.0000 - 1.4142i</p><p>　　-1.4384 </p&

39、gt;<p><b>　　系統(tǒng)穩(wěn)定.</b></p><p>　　3.單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制根軌跡圖，并求出與實(shí)軸的分離點(diǎn)、與虛軸的交點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的增益。</p><p><b>　　程序代碼：</b></p><p><b>　　num=1;</b></p>&

40、lt;p>　　den=conv([1 2.73 0],[1 2 2]);</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p><b>　　程序結(jié)果：</b></p><p>　　已知系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist,并能夠求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。</p><p>&l

41、t;b>　　程序代碼：</b></p><p>　　s=tf('s');</p><p>　　G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1))</p><p>　　step(feedback(G,1));</p><p><b>　　bode(G)</b>

42、</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　[gm,pm]=margin(G)</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　nyquist(G)</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b><

43、;/p><p><b>　　G =</b></p><p><b>　　50 s + 5</b></p><p>　　-------------------------------</p><p>　　0.5 s^4 + 1.1 s^3 + 0.7 s^2 + s</p><p>

44、;　　Continuous-time transfer function.</p><p>　　Warning: The closed-loop system is unstable. </p><p>　　> In warning at 26</p><p>　　In DynamicSystem.margin at 63</p><p&g

45、t;　　In NKST at 6 </p><p><b>　　gm =</b></p><p><b>　　0.0093</b></p><p><b>　　pm =</b></p><p><b>　　-65.0419</b></p>&

46、lt;p>　　5．考慮如圖所示的反饋控制系統(tǒng)的模型，各個(gè)模塊為</p><p>　　，，，用MATLAB語(yǔ)句分別得出開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。</p><p><b>　　程序代碼：</b></p><p><b>　　num1=4;</b></p><p>　　den1=[1 2 3 4

47、];</p><p>　　num2=[1 -3];</p><p>　　den2=[1 3];</p><p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p><b>　　Gs=G1*G2</b></p><p&g

48、t;<b>　　step(Gs)</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　Gs =</b></p><p><b>　　4 s - 12</b></p><p>　　-----------------------

49、--------</p><p>　　s^4 + 5 s^3 + 9 s^2 + 13 s + 12</p><p><b>　　程序代碼：</b></p><p><b>　　num1=4;</b></p><p>　　den1=[1 2 3 4];</p><p>　　n

50、um2=[1 -3];</p><p>　　den2=[1 3];</p><p>　　G1=tf(num1,den1);</p><p>　　G2=tf(num2,den2);</p><p><b>　　Gs=G1*G2</b></p><p><b>　　num3=1;</b

51、></p><p>　　den3=[0.01,1];</p><p>　　Hs=tf(num3,den3);</p><p>　　G0=feedback(Gs,Hs)</p><p><b>　　step(G0)</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b>&

52、lt;/p><p><b>　　Gs =</b></p><p><b>　　4 s - 12</b></p><p>　　-------------------------------</p><p>　　s^4 + 5 s^3 + 9 s^2 + 13 s + 12</p><p

53、>　　Continuous-time transfer function.</p><p><b>　　G0 =</b></p><p>　　0.04 s^2 + 3.88 s - 12</p><p>　　---------------------------------------------------</p><

54、;p>　　0.01 s^5 + 1.05 s^4 + 5.09 s^3 + 9.13 s^2 + 17.12 s</p><p><b>　　二）控制方法訓(xùn)練</b></p><p><b>　　1、微分先行控制</b></p><p>　　設(shè)控制回路對(duì)象，分別采用常規(guī)PID和微分先行PID控制后系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，

55、比較改進(jìn)后的算法對(duì)系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p><b>　　常規(guī)PID：</b></p><p>　　微分先行PID控制：</p><p>　　2、Smith預(yù)估控制</p><p>　　設(shè)控制回路對(duì)象，設(shè)計(jì)Smith預(yù)估控制器，分別采用常規(guī)PID和Smith預(yù)估控制后系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，比較改進(jìn)后的算法對(duì)系統(tǒng)滯

56、后改善的作用。</p><p><b>　　常規(guī)PID：</b></p><p><b>　　Smith預(yù)估控制</b></p><p><b>　　3、大林算法控制</b></p><p>　　設(shè)被控對(duì)象傳函，目標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)，試設(shè)計(jì)大林控制器，</p><

57、;p>　　并在Matlab中進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p><b>　　三）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1.雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　要求：完成雙容水箱控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)：超調(diào)量<30%,調(diào)節(jié)時(shí)間<30s,擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的性能較單閉環(huán)系統(tǒng)有較大的改進(jìn)。</p><p>

58、　　1）. 分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　2）.建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，完成系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖；</p><p>　　3）.完成控制系統(tǒng)的主副控制器的控制算法策略的選擇(PID)，并整定相應(yīng)的控制參數(shù)；</p><p>　　4）.完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗(yàn)證控制算法的選擇，并要求達(dá)到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設(shè)計(jì)。

59、</p><p>　　5）.寫(xiě)出系統(tǒng)的PID算法控制程序等的軟件程序代碼（C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）。</p><p>　　以THJ-2型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：上水箱直徑為25cm，高度為20cm,當(dāng)電動(dòng)閥輸出的開(kāi)度為50時(shí)，得水泵流量為Q=4.3186L/min,水箱自平衡時(shí)的液位高度為10.894cm,說(shuō)明給定的頻率階躍信號(hào)適當(dāng)，不會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非線性因素增大，更不會(huì)引起系統(tǒng)輸

60、出出現(xiàn)超調(diào)量的情況，在開(kāi)度為50時(shí)下水箱的液位隨時(shí)間變化值如下表：</p><p>　　下水箱直徑為35cm，高度為20cm,當(dāng)電動(dòng)閥開(kāi)度為40時(shí)， 得水泵流量為Q=2.6064L/min,水箱自平衡時(shí)的液位高度為10.838cm,同樣說(shuō)明給定的頻率階躍信號(hào)適當(dāng)，在開(kāi)度為40時(shí)時(shí)上水箱的液位隨時(shí)間變化值如下表：</p><p>　　2.基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p&

61、gt;<p>　　要求：完成雙閉環(huán)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的微機(jī)控制設(shè)計(jì)，超調(diào)量<30%，調(diào)節(jié)時(shí)間<0.5s，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。</p><p>　　分析控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)的控制方案；</p><p>　　選擇合適的檢測(cè)與執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p>　　建立系統(tǒng)的各控制參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；</p>

62、;<p>　　分別完成轉(zhuǎn)速和電流控制系統(tǒng)的控制算法的選擇和參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>　　完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗(yàn)證控制算法的選擇，并要求達(dá)到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)直流電機(jī)，，，，電樞電阻，V-M系統(tǒng)的主電路總電阻，電樞電路的電磁時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，測(cè)速反饋系數(shù),系統(tǒng)的電流反饋系數(shù)，觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks=

63、30，三相平均失控時(shí)間Ts=0.00167s，電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)心得</b></p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)自動(dòng)控制原理的知識(shí)有了更具體的理解和直觀的認(rèn)識(shí)。通過(guò)三個(gè)設(shè)計(jì)，對(duì)于微機(jī)控制的計(jì)算機(jī)仿真，讓我初步掌握Matlab的基本應(yīng)用并對(duì)其工作原理和輸入輸出情況進(jìn)行分析，