自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計 (2)

1、<p>　　自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設計要求………………………………………………….2</p><p>　　二、設計報告的要求………………………………………….2</p><p>　　三、題目及要求……………………………………………….2

2、</p><p>　　一）自動控制仿真訓練……………………………………….2</p><p>　　二）控制方法訓練…………………………………………….7</p><p>　　微分先行控制………………………………………………7</p><p>　　Smith預估控制…………………………………………….8</p><p>

3、　　大林算法控制………………………………………………9</p><p>　　三）控制系統(tǒng)的設計………………………………………….10</p><p>　　雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計…………………………..10</p><p>　　基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計………..12</p><p>　　四、心得體會…………………………………

4、………………15</p><p><b>　　一、設計要求</b></p><p>　　完成給定題目中，要求完成題目的仿真調試，給出仿真程序和圖形。</p><p>　　自覺按規(guī)定時間進入實驗室，做到不遲到，不早退，因事要請假。嚴格遵守實驗室各項規(guī)章制度，實驗期間保持實驗室安靜，不得大聲喧嘩，不得圍坐在一起談與課程設計無關的空話，若違規(guī)，則酌情

5、扣分。</p><p>　　課程設計是考查動手能力的基本平臺，要求獨立設計操作，指導老師只檢查運行結果，原則上不對中途故障進行排查。</p><p>　　加大考查力度，每個時間段均進行考勤，計入考勤分數(shù)，按照運行的要求給出操作分數(shù)。每個人均要全程參與設計，若有1/3時間不到或沒有任何運行結果，視為不合格。</p><p><b>　　二、設計報告的要求&l

6、t;/b></p><p><b>　　1、理論分析與設計</b></p><p>　　2、題目的仿真調試，包括源程序和仿真圖形。</p><p>　　3、設計中的心得體會及建議。</p><p><b>　　三、題目及要求</b></p><p>　　一）自動控制仿真

7、訓練</p><p>　　1、已知兩個傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　?、僭贛ATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點、和狀態(tài)空間法表示；</p><p>　?、谠贛ATLAB中分別求出通過反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系統(tǒng)模型。</p><p>　　第一部分 num=[1]</p><p><b>　　den=[

8、3 1]</b></p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　[E F]=zero(G)</p><p>　　[A B C D]=tf2ss(num,den)</p><p>　　第二部分 num=[2]</p><p>　　den=[3 1 0]</p><

9、p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　[E F]=zero(G)</p><p>　　[A B C D]=tf2ss(num,den)</p><p>　　第三部分 num1=[1]</p><p>　　den1=[3 1]</p><p>　　G1=tf(num1,den1)</p&

10、gt;<p><b>　　num2=[2]</b></p><p>　　den2=[3 1 0]</p><p>　　G2=tf(num2,den2)</p><p><b>　　G3=G1*G2</b></p><p><b>　　G4=G1+G2</b><

11、;/p><p>　　2、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　num=[1 7 24 24]</p><p>　　den=[1 10 35 50 24]</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p><b>　　p=eig(G)</b></p>

12、<p>　　p1=pole(G)</p><p>　　r=roots(den)</p><p>　　3、單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制根軌跡圖，并求出與實軸的分離點、與虛軸的交點及對應的增益。</p><p><b>　　num=1</b></p><p>　　den=conv([1 2.73 0],[1

13、 2 2])</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p>　　axis([-8 8 -8 8])</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　r=rlocus(num,den);</p><p>　　plot(r,'-')&l

14、t;/p><p>　　axis([-8 8 -8 8])</p><p>　　gtext('x')</p><p>　　gtext('x')</p><p>　　gtext('x')</p><p>　　Simulink仿真結果如下：</p><p>

15、　　4、已知系統(tǒng)的開環(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><b>　　s=tf('s')</b></p><p>　　G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1))</p><p><b>　　figure(1)<

16、;/b></p><p><b>　　bode(G)</b></p><p><b>　　grid</b></p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　nyquist(G)</p><p><b>　　gr

17、id</b></p><p>　　axis([-2 2 -5 5])</p><p>　　Simulink仿真結果如下：</p><p><b>　　Bode圖</b></p><p><b>　　Nyquist圖</b></p><p>　　5、考慮如圖所示的反

18、饋控制系統(tǒng)的模型，各個模塊為</p><p>　　，，，用MATLAB語句分別得出開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線。</p><p><b>　　num1=[4]</b></p><p>　　den1=[1 2 3 4]</p><p>　　G1=tf(num1,den1)</p><p>　　num

19、2=[1 -3]</p><p>　　den2=[1 3]</p><p>　　G2=tf(num2,den2)</p><p><b>　　num3=[1]</b></p><p>　　den3=[0.01 1]</p><p>　　G3=tf(num3,den3)</p><

20、;p><b>　　G=G1*G2</b></p><p>　　G0=feedback(G,G3)</p><p><b>　　step(G0)</b></p><p>　　[y,t]=step(G0)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p&g

21、t;<p><b>　　figure(2)</b></p><p><b>　　step(G)</b></p><p>　　[y,t]=step(G)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p>　　Simulink仿真結果如下：<

22、;/p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線</p><p><b>　　二）控制方法訓練</b></p><p><b>　　1、微分先行控制</b></p><p>　　設控制回路對象，分別采用常規(guī)PID和微分先行PID控制后系統(tǒng)輸出

23、的響應曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p>　　思路分析：為了避免給定值的升降給控制系統(tǒng)帶來沖擊，如超調量過大，調節(jié)閥動作劇烈，可采用微分先行PID控制方案。微分先行PID控制和標準的PID控制的不同之處在于，只對被控量y(t)微分，不對偏差e(t)微分，也就是說對給定值r(t)無微分作用。</p><p>　　Simulink仿真如下圖： <

24、;/p><p>　　2、Smith預估控制</p><p>　　設控制回路對象，設計Smith預估控制器，分別采用常規(guī)PID和Smith預估控制后系統(tǒng)輸出的響應曲線，比較改進后的算法對系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p>　　思路分析：與D(s)并接一補償環(huán)節(jié)，用來補償被控制對象中的純滯后部分。這個補償環(huán)節(jié)稱為預估器，其傳遞函數(shù)為,?為純滯后時間。由施密斯預估器和控制器

25、D(s)組成的補償回路稱為純滯后補償器。</p><p>　　PID控制器參數(shù)：Kp=1.8 Ki=0.68 Kd=1.4</p><p>　　Simulink仿真如下圖： </p><p><b>　　3、大林算法控制</b></p><p>　　設被控對象傳函，目標閉環(huán)傳遞函數(shù)，試設計大林控制器，并在M

26、atlab中進行驗證。</p><p>　　思路分析：大林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)Φ（s）相當于一個延遲環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，并期望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象Gc(s)的純滯后時間?相同。</p><p>　　Simulink仿真結果如下：</p><p><b>　　三）控制系統(tǒng)的設計</b></p&g

27、t;<p>　　1、雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　要求：完成雙容水箱控制系統(tǒng)的性能指標：超調量<30%,調節(jié)時間<30s,擾動作用下系統(tǒng)的性能較單閉環(huán)系統(tǒng)有較大的改進。</p><p>　　1）、分析控制系統(tǒng)的結構特點設計合理的控制系統(tǒng)設計方案；</p><p>　　2）、建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，完成系統(tǒng)的控制結構框圖；&

28、lt;/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)，并整定相應的控制參數(shù)；</p><p>　　4）、完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗證控制算法的選擇，并要求達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設計。</p><p>　　5）、寫出系統(tǒng)的PID算法控制程序等的軟件程序代碼（C語言或匯編語言）。</p><p>　　

29、以THJ-2型過程控制實驗對象測得的實驗數(shù)據(jù)為：上水箱直徑為25cm，高度為20cm,當電動閥輸出的開度為50時，得水泵流量為Q=4.3186L/min,水箱自平衡時的液位高度為10.894cm,說明給定的頻率階躍信號適當，不會使系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性因素增大，更不會引起系統(tǒng)輸出出現(xiàn)超調量的情況，在開度為50時下水箱的液位隨時間變化值如下表：</p><p>　　下水箱直徑為35cm，高度為20cm,當電動閥開度為

30、40時， 得水泵流量為Q=2.6064L/min,水箱自平衡時的液位高度為10.838cm,同樣說明給定的頻率階躍信號適當，在開度為40時時上水箱的液位隨時間變化值如下表：</p><p>　　思路分析：雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計目標是根據(jù)串級控制來實現(xiàn)的。其控制結構簡單，控制參數(shù)易于整定，控制目的是使水箱液位保持恒定。首先通過控制上水箱的液位，再控制下水箱的液位，這樣就基本可以控制雙容水箱的液位了。所以可以令上

31、水箱的液位為副對象，下水箱的液位為主對象，從而構成串級控制結構。</p><p>　　Simulink仿真結果如下</p><p>　　2、基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計</p><p>　　要求：完成雙閉環(huán)的直流電機調速系統(tǒng)的微機控制設計，超調量<30%，調節(jié)時間<0.5s，穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　分析控制的

32、結構特點設計合理的控制系統(tǒng)的控制方案；</p><p>　　選擇合適的檢測與執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結構設計；</p><p>　　建立系統(tǒng)的各控制參數(shù)的數(shù)學模型；</p><p>　　分別完成轉速和電流控制系統(tǒng)的控制算法的選擇和參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)設計；</p><p>　　完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗證控制算法的選擇，并要求

33、達到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設計。</p><p>　　設直流電機，，，，電樞電阻，V-M系統(tǒng)的主電路總電阻，電樞電路的電磁時間常數(shù)，機電時間常數(shù)，測速反饋系數(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=30，三相平均失控時間Ts=0.00167s，電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉速環(huán)濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。</p><p>　　思路分析：雙閉環(huán)的直流電機調速

34、系統(tǒng)的設計目標是根據(jù)串級控制來實現(xiàn)的。采用了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)，我們所需要的就是選擇ASR和ACR兩個調節(jié)器的pi參數(shù)。</p><p>　　在工程設計時，首先根據(jù)典型I型系統(tǒng)或II型系統(tǒng)的方法計算調節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLAB下的SIMULINK軟件進行仿真，修正好最恰當?shù)膮?shù)，直到得到滿意的結果。</p><p>　　Simulink仿真結果如下</p>&

35、lt;p><b>　　四、心得體會</b></p><p>　　經(jīng)過這次的自動控制原理及系統(tǒng)仿真課程設計，加強了我對自動控制的理解，并且對matlab的仿真更加熟悉。通過之前對自動控制原理的學習，加上這次對這些理論知識的應用及仿真，使我自身的知識架構有所提高。</p><p>　　通過這次課程設計，我對matlab的基本使用更加深刻，比如求傳函，極點，狀態(tài)空間等

36、等。并且使我掌握了三種控制方法，包括：微分先行控制，smith預估控制，大林算法控制。并且可以對比出它們之間各自的優(yōu)缺點。下面我就自己心得對這三種方法對比下：</p><p>　　1、微分先行控制的優(yōu)點是可以避免給定值的升降對控制系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它與標準的pid控制的區(qū)別就是，只對被控量微分，不對偏差微分。所以它的缺點就是對偏差控制能力太大。</p><p>　　2、s

37、mith預估控制的優(yōu)點是可以消除純滯后部分對控制系統(tǒng)對的影響，并且使用時不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。缺點是模擬儀表不能實現(xiàn)這種補償，只能在微型計算機實現(xiàn)。</p><p>　　3、大林算法控制的優(yōu)點是使控制系統(tǒng)不允許產(chǎn)生超調并且系統(tǒng)穩(wěn)定。缺點就是計算D(Z)比較麻煩，并且易產(chǎn)生誤差。</p><p>　　經(jīng)過這么多的仿真結果，使我更懂得了控制方法的優(yōu)缺點，對今后使用這些方法更加便捷，希望在今后的

38、學習和工作里我可以更加熟悉的使用自動控制方法和matlab。</p><p>　　在控制系統(tǒng)的設計部分，提升了我的分析問題能力和解決問題的能力。比如：在做雙容水箱串級控制系統(tǒng)的設計時，一開始很迷茫，因為看到題目時不知道怎么下手。不過在老師和同學的幫助指導下，我漸漸理出了頭緒。開始慢慢的對系統(tǒng)分析，選擇好控制方法的前提下，結合分析得結論，最后將系統(tǒng)設計完成，心里挺高興的。</p><p>　

39、　在最后，我要感謝我的指導老師，因為在課程設計的過程中，出現(xiàn)很多問題時都是在老師的幫助下解決的。通過這次課程設計，不僅加強了我對matlab仿真能力，而且使我對控制方法有了更深刻的認識，最重要的是，使我在發(fā)現(xiàn)問題以及解決問題的能力方面也大有提高。不過，經(jīng)過這次課程設計我也看到了自身的一些不足，比如對理論知識理解的不過徹底。在今后的學習和工作中我會吸取這些教訓，注重提高自身能力，并且更加用功的學習自動控制方法和應用。</p>