基于網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　基于網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p&

2、gt;<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　

3、“CATS”全稱為“Control and Automation Training System”即控制與自動化專業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)，是將理論教學(xué)與實踐教學(xué)于一體的一套設(shè)備。我們把需要控制電機(jī)的輸入量先利用MATLAB軟件編程然后通過“CATS”系統(tǒng)輸入到電機(jī)中從而控制電機(jī)的運行。本文主要利用“CATS”系統(tǒng)和MATLAB軟件設(shè)計的前期必要準(zhǔn)備和對設(shè)計控制系統(tǒng)的分析。本次設(shè)計分為以下幾個部分：總體設(shè)計，實驗準(zhǔn)備，電機(jī)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，電機(jī)控制

4、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，電機(jī)控制系統(tǒng)的根軌跡分析，電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)要求本文利用 “CATS”實驗設(shè)備以及MATLAB仿真軟件通過理論與實際相結(jié)合完成了電機(jī)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，電機(jī)控制系統(tǒng)的根軌跡分析，電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。在階躍響應(yīng)中利用圖像對系統(tǒng)的時域進(jìn)行了分析；穩(wěn)定性分析是利用系統(tǒng)的建立的傳遞函數(shù)的特征根和電機(jī)運行曲線來分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；根軌跡分析是利用系統(tǒng)的建立的傳遞函數(shù)根軌跡分布和極點的值來分析的。

5、最后我設(shè)計了一個系統(tǒng)用超調(diào)量的變化來分析系統(tǒng)的性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：CATS；階躍響應(yīng)；穩(wěn)定性；傳遞函數(shù)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　"CATS" the whole is called "Control and Automation Training S

6、ystem" that control and automation professional training system, is teaching the theory and practice of teaching in one set of equipment. We need to control the motor's input using MATLAB software program first

7、and then "CATS" input to the motor system to control motor operation. In this paper, using "CATS" system and the MATLAB software and the necessary preparations for the preliminary design of control sy

8、stems analysis. The design i</p><p>　　Key words：CATS;Step response; Stability; Transfer function </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><

9、;p><b>　　2　總體設(shè)計3</b></p><p><b>　　3　實驗準(zhǔn)備4</b></p><p>　　3.1 CATS系統(tǒng)的流程圖4</p><p>　　3.2 MATLAB的設(shè)置4</p><p>　　4 電機(jī)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)14</p><p&

10、gt;　　4.1 實驗?zāi)康?4</p><p>　　4.2 實驗設(shè)備及儀器14</p><p>　　4.3 實驗原理14</p><p>　　4.3.1 階躍響應(yīng)14</p><p>　　4.3.2 MATLAB中控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）的表示方法14</p><p>　　4.4 實驗內(nèi)容17</

11、p><p>　　4.4.1 階躍輸入17</p><p>　　4.4.2 結(jié)果分析20</p><p>　　5 電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析21</p><p>　　5.1 實驗?zāi)康?1</p><p>　　5.2 實驗設(shè)備及儀器21</p><p>　　5.3 實驗原理21</p&

12、gt;<p>　　5.3.1 穩(wěn)定性的概念21</p><p>　　5.3.2 判斷穩(wěn)定性的原理21</p><p>　　5.3.3 時域法穩(wěn)定性分析22</p><p>　　5.3.4 頻域法穩(wěn)定性分析22</p><p>　　5.4 實驗內(nèi)容26</p><p>　　5.4.1 建立傳遞函數(shù)

13、26</p><p>　　5.4.2 模型和實際比較27</p><p>　　5.4.3 結(jié)果分析28</p><p>　　6 電機(jī)控制系統(tǒng)的根軌跡分析29</p><p>　　6.1 實驗?zāi)康?9</p><p>　　6.2 實驗設(shè)備及儀器29</p><p>　　6.3 實驗原

14、理29</p><p>　　6.3.1 根軌跡概念29</p><p>　　6.3.2 MATLAB繪制根軌跡圖的指令30</p><p>　　6.4 實驗內(nèi)容31</p><p>　　6.4.1 設(shè)置傳函31</p><p>　　6.4.2 編寫程序31</p><p>　　6.4

15、.3 結(jié)果分析34</p><p>　　7 電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計35</p><p>　　7.1 實驗?zāi)康?5</p><p>　　7.2 實驗設(shè)備及儀器35</p><p>　　7.3 實驗原理35</p><p>　　7.3.1 超調(diào)量35</p><p>　　7.3.2 系統(tǒng)結(jié)

16、構(gòu)35</p><p>　　7.4實驗內(nèi)容36</p><p>　　7.4.1 設(shè)置不同超調(diào)量36</p><p>　　7.4.3 實驗結(jié)論40</p><p><b>　　8 結(jié)論41</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p>

17、<b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今世界的主流，如今的自動控制系統(tǒng)不僅可以通過傳統(tǒng)的數(shù)字量、模擬量控制，還能通過現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)控制，進(jìn)而實現(xiàn)資源的共享，避免單機(jī)設(shè)備因缺乏信息資源的共享而造成“自動化孤島效應(yīng)”，甚至還可以通過利用計算機(jī)與

18、互聯(lián)網(wǎng)，通過組態(tài)軟件在計算機(jī)組態(tài)，完成遠(yuǎn)程控制。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是指建立在數(shù)字總線基礎(chǔ)之上的控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場總線控制的推廣應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)控制這一融合最新通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算機(jī)控制技術(shù)已越來越引起人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有可靠性高、系統(tǒng)連線少、結(jié)構(gòu)靈活、通信協(xié)議開放等諸多優(yōu)點。然而，由于控制網(wǎng)絡(luò)采用串行數(shù)字通信方式，各節(jié)點將按照協(xié)議規(guī)范共享網(wǎng)絡(luò)通信資源，從而不可避免將

19、把網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中諸多不確定因素引入控制系統(tǒng)。如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，充分考慮網(wǎng)絡(luò)時延等對控制系統(tǒng)的影響，是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的關(guān)鍵。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的電機(jī)控制系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一種表現(xiàn)形式。通過設(shè)計可以使電機(jī)完成遠(yuǎn)程控制。方便了電機(jī)的使用。在學(xué)校和大學(xué)的研究正變得越來越緊湊和壓縮。利用計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但可以模擬現(xiàn)實試驗環(huán)境[1] , 而且還能解決實驗設(shè)備的緊缺問題, 提高現(xiàn)有實驗設(shè)備的利用

20、率。同時獲得授權(quán)的學(xué)員可以在任何地方、任何時間通過網(wǎng)絡(luò)試驗平臺做試驗。國外很多大學(xué)實驗室也都在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬試驗方面的研究[2]。所以在控制工程專業(yè)、自動化專業(yè)以及控制技術(shù)專業(yè)，教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生能更有效的把理論與實踐有機(jī)地結(jié)合起來。通過“CATS”實驗設(shè)備，自動化領(lǐng)域的論文、仿真以及測試便可像實際工業(yè)應(yīng)用一樣，以一種易于理解的方式逐步建立起來[3]。</p><p>　　而“CATS”實驗設(shè)備是通過MATLAB軟件

21、實現(xiàn)。MATLAB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(xué)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。而MATLAB的是一個功能強(qiáng)大、具有良好交互性的科學(xué)及工程計算軟件,它提供相當(dāng)豐富的工具箱,使用戶能非常有效地計算或模擬各種科學(xué)及工程問題. 除了自身功能強(qiáng)大之外,它還具有非常好的擴(kuò)展性,使

22、得用戶可以使用自己熟悉的開發(fā)平臺(語言)來使用MATLAB 強(qiáng)大的計算資源,如C, C + + ,C#,Java 等等[4]?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。所研制開發(fā)的MathWorks矩陣,MATLAB允許的操作、功能和數(shù)據(jù),繪制算法,創(chuàng)造實施的用戶界面,和接口程序來用其他語言編程。雖然它是一個可

23、選的工具箱,數(shù)字只使用MuPAD象征性的引擎,允許訪問計算機(jī)代數(shù)的能力[5]</p><p><b>　　2　總體設(shè)計</b></p><p>　　MATLAB 中提供了豐富的信號處理的方法，首先在MATLAB 中先編寫我們所需要的階躍響應(yīng)實驗仿真程序，然后通過CATS系統(tǒng)輸入到電機(jī)中，控制電機(jī)按照我們編寫的要求運行，并在運行中把電機(jī)的狀態(tài)反饋到計算機(jī)中用圖像顯示出來

24、結(jié)果，通過圖像進(jìn)行時域分析。而CATS系統(tǒng)還會根據(jù)實驗的結(jié)果的一些數(shù)據(jù)在MATALAB中作出傳遞函數(shù)，然后通過觀察來對這個系統(tǒng)進(jìn)行時域分析、穩(wěn)定性分析和根軌跡分析等。</p><p>　　本設(shè)計要求應(yīng)用CATS系統(tǒng)設(shè)計出基于網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的電機(jī)控制實驗項目：</p><p>　　（1）電機(jī)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)；</p><p>　?。?）電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；<

25、;/p><p>　?。?）電機(jī)控制系統(tǒng)的根軌跡分析；</p><p>　?。?）電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。 </p><p><b>　　3　實驗準(zhǔn)備</b></p><p>　　3.1 CATS系統(tǒng)的流程圖</p><p><b>　　圖3-1 流程圖</b></p>

26、<p>　　圖3-1是利用“CATS”系統(tǒng)和MATLAB軟件仿真出控制電機(jī)系統(tǒng)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)的流程圖，本實驗也是通過這個流程圖進(jìn)行的。</p><p>　　3.2 MATLAB的設(shè)置</p><p>　?。?）打開LapMap，從處理文本框你會發(fā)現(xiàn)你的輸入和輸出量。從圖3-2中我們可以發(fā)現(xiàn)連接狀態(tài)是“成功”。 然后把“5V電壓通過“send Ihe new valve”.輸

27、入IP地址:192.168.0.31的電機(jī)，電機(jī)將會運行。</p><p>　　圖3-2 電機(jī)運行的量</p><p>　　圖中由上至下第一張是電機(jī)運行是的瞬時電壓；第三張是電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速;</p><p>　?。?）實現(xiàn)與Matlab / Similink。打開“Matlab的”，找到并打開“Simulink的”如圖3-3。</p><p>

28、;　　圖3-3 Matlab and Simulink標(biāo)簽</p><p>　　（3）新建一個Simulink文件</p><p>　　在瀏覽器左上角，你可以找到一個新的模式建設(shè)的按鈕如圖3-4，并新建一個空白的Simulink文件。</p><p><b>　　3</b></p><p>　　圖3-4 LapMa

29、p Simulink和功能塊</p><p>　　從LapMap Simulink和功能塊中搜索“Step” 、“scope” 、“Send”、“ Get”模塊點擊它左邊的按鈕，在右邊一欄，將顯示LapMap功能塊。獲取和發(fā)送塊 它們拖到示范性窗口。并連接模塊如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 連接與組件</p><p>　?。?）雙擊并設(shè)置“Send”和

30、“Ged”的LapMap如圖3-6和圖3-7；</p><p>　　圖3-6 “Send”設(shè)置</p><p>　　圖3-7 “Ged”設(shè)置</p><p>　?。?）設(shè)置“Model Properties”:</p><p>　　步驟“File”->”Model Properties”-> “Callbacks”->”

31、InitFcn”&”StopFcn”，如圖3-8 ，圖3-9， 圖3-10：</p><p>　　圖3-8 模型的性質(zhì)</p><p>　　圖3-9 InitiFcn的設(shè)置</p><p>　　圖3-10 StopFcn的設(shè)置</p><p>　　sendreal（3100,0）：意思是系統(tǒng)發(fā)送0到31號電機(jī)，使電機(jī)在仿真

32、和停止。不設(shè)置這個電機(jī)將在運行完后電機(jī)繼續(xù)保持狀態(tài)運行指導(dǎo)下輸入新的信號。</p><p>　?。?）設(shè)置“Configuration Parameters”</p><p>　　步驟是“Simulation”->” Configuration Parameters”.如圖3-11 和3-12顯示：</p><p>　　圖3-11 配置參數(shù)</p>

33、;<p>　　圖3-12 設(shè)置“Type: Fixed 2.”, “Fixed 2. Size: 0.01”</p><p>　　(7) 設(shè)置最終值、信號源開始模擬如圖3-13和圖3-14顯示：</p><p>　　圖3-13 最終值設(shè)置為5V</p><p>　　圖3-14 開始模擬</p><p>　　自此硬件設(shè)計完成

34、然后進(jìn)行下面軟件設(shè)計</p><p>　　4 電機(jī)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</p><p><b>　　4.1 實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　?。?）學(xué)習(xí)MATLAB中控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）的表示方法</p><p>　?。?）觀察典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響；</p>&l

35、t;p>　?。?）學(xué)習(xí)使用MATLAB進(jìn)行時域法分析；</p><p>　　4.2 實驗設(shè)備及儀器</p><p><b>　　（1）計算機(jī)；</b></p><p>　?。?）MATLAB仿真軟件；</p><p><b>　　（3）電機(jī)。</b></p><p>&

36、lt;b>　　4.3 實驗原理</b></p><p>　　4.3.1 階躍響應(yīng)</p><p>　　當(dāng)激勵為單位階躍函數(shù)時，電路的零狀態(tài)響應(yīng)稱為單位階躍響應(yīng)，簡稱階躍響應(yīng)[6]。階躍響應(yīng)g(t)定義為：系統(tǒng)在單位階躍信號u(t)的激勵下產(chǎn)生的零狀態(tài)響應(yīng)。當(dāng)x<0時，y=0.當(dāng)x>0時，y=1.用E表示(形似，有差別，實為希臘字母）,其相應(yīng)的拉普拉斯為1/s[

37、7]。</p><p>　　4.3.2 MATLAB中控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）的表示方法</p><p>　?。?）傳遞函數(shù)為多項式模型：</p><p>　　在MATLAB中，此系統(tǒng)可由其分子和分母多項式的系數(shù)（按s的降冪排列）所構(gòu)成的兩個向量唯一的確定下來。</p><p>　　num=[bm bm-1 …b0];</p&g

38、t;<p>　　den=[ an an-1 …a0];</p><p>　　再用函數(shù)tf生成一個系統(tǒng)多項式傳遞函數(shù)模型，其調(diào)用格式為：</p><p>　　g=tf(num, den);</p><p>　　例如：若已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　在MATLAB命令環(huán)境中輸入：num=[6 12 6 10];&l

39、t;/p><p>　　den=[1 2 3 1 1];</p><p>　　g=tf(num,den) 則顯示：</p><p>　　Transfer function:</p><p>　　6 s^3 + 12 s^2 + 6 s + 10</p><p>　　--------------------------

40、-</p><p>　　s^4 + 2 s^3 + 3 s^2 + s + 1</p><p>　　注意：每個語句后加上分號‘；’，否則每行命令MATLAB都會給出一個結(jié)果。</p><p>　?。?）傳遞函數(shù)為因式相乘形式：</p><p>　　利用MATLAB中的多項式乘法運算函數(shù)conv()，其調(diào)用格式為：c=conv(多項式1，多項式

41、2)</p><p>　　num=[18 18]</p><p>　　den=conv(conv([1 5],[1 25]),[1 0.4])</p><p>　　MATLAB中控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的函數(shù)命令格式：</p><p>　　函數(shù)格式1：step(num, den)或step(g)</p><p>　　給定nu

42、m和den，求系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，時間t的范圍自動設(shè)定?？稍谧詈蠹由蟝rid on 命令</p><p>　　例如：step(num, den)</p><p><b>　　grid on</b></p><p><b>　　顯示如圖4-1：</b></p><p><b>　　圖4-1 階躍

43、響應(yīng)</b></p><p>　　函數(shù)格式2：step(num, den, t)或step(g, t)</p><p>　　時間t的范圍由人工設(shè)定，如：t=0:0.1:10</p><p>　　例如：step(num,den,100)</p><p><b>　　grid on</b></p>

44、<p><b>　　顯示如圖4-2：</b></p><p><b>　　圖4-2 變量</b></p><p>　　函數(shù)格式3：[y, x]=step(num,den)</p><p>　　返回變量格式。不作圖。</p><p><b>　　4.4 實驗內(nèi)容</b>

45、;</p><p>　　4.4.1 階躍輸入</p><p>　　（1）應(yīng)用可調(diào)電壓給電機(jī)，并檢查其性能（圖4-5）</p><p>　　圖4-5 階躍例1</p><p>　　在這里，我們用一個輸入信號的階躍函數(shù)。當(dāng)我運行這個mdl的文件，驅(qū)動程序開始旋轉(zhuǎn)。嘗試不同的階梯函數(shù)的最終值（即輸入電壓），我發(fā)現(xiàn)，數(shù)值越大，電機(jī)跑越快。如果我設(shè)置

46、了最后的值是負(fù)數(shù)，驅(qū)動程序?qū)⑦\行在相反的方向。</p><p>　?。?）可調(diào)電壓和監(jiān)控應(yīng)用的性能（圖4-6）。</p><p>　　圖4-6 階躍例2</p><p>　　在這里，我們可以從驅(qū)動程序中的數(shù)據(jù)并繪制出它的旋轉(zhuǎn)速度。</p><p>　　為了優(yōu)化的步驟根據(jù)電機(jī)的表現(xiàn)功能參數(shù)：設(shè)置步驟時間1秒，初始值0，和最終價值10。 輸出電

47、壓為5V。最后表現(xiàn)在圖4-7顯示。</p><p>　　圖4-7 電機(jī)運行狀態(tài)</p><p>　　其中上圖的橫坐標(biāo)反應(yīng)的是電機(jī)的運行時間，縱坐標(biāo)反應(yīng)的是電機(jī)的運行速度。所以根據(jù)圖1-3我們能很容易的了解電機(jī)在10S內(nèi)的運行狀態(tài)。</p><p>　　4.4.2 結(jié)果分析</p><p>　　通過圖3-8我們能大致了解到電機(jī)在0-1秒時保持原

48、始狀態(tài)，1S時開始加速轉(zhuǎn)動，大約在4.7秒時到達(dá)最大轉(zhuǎn)速然后基本一這個速度保持。所以電機(jī)的延遲時間大約是1.8秒，上升時間約為2秒，峰值時間為4.7秒，調(diào)節(jié)時間約為5秒</p><p>　　5 電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析</p><p><b>　　5.1 實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　?。?）應(yīng)用MATLAB相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)

49、定性判別和分析；</p><p>　?。?）學(xué)會在MATLAB運行環(huán)境下用多種方法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；</p><p>　?。?）設(shè)計個實驗來分析這個電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　5.2 實驗設(shè)備及儀器</p><p><b>　?。?）計算機(jī)；</b></p><p>　?。?）MATL

50、AB仿真軟件；</p><p><b>　　（3）電機(jī)。</b></p><p><b>　　5.3 實驗原理</b></p><p>　　5.3.1 穩(wěn)定性的概念</p><p>　　所謂的穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在擾動消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的性能。[8]對于線性系統(tǒng)來說，如果一個連續(xù)系統(tǒng)

51、的所有極點都位于左S半平面，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。對于連續(xù)系統(tǒng)來說，如果一個系統(tǒng)的全部極點都位于單位圓內(nèi)，則系統(tǒng)被認(rèn)為是穩(wěn)定的。由此可見，線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的極點在根平面的位置。</p><p>　　5.3.2 判斷穩(wěn)定性的原理</p><p>　　線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分必要條件是；閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負(fù)實根部；或者說，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點均位于左半S平面。[9]</p&g

52、t;<p>　　判斷系統(tǒng)穩(wěn)定的各種方法：應(yīng)用MATLAB實現(xiàn)線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析</p><p>　　5.3.3 時域法穩(wěn)定性分析</p><p>　　在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用直接求根法確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　線性系統(tǒng)的多項式模型一般表示為（其中n≥m）：</p><p>　　系統(tǒng)的特征方程為：。</p

53、><p>　　因此，線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件敘述如下：對于系統(tǒng)的多項式模型，特征方程的根全部都具有負(fù)實部，即對于特征方程</p><p>　　其n個根si（i=1，2…,n）有Re[si]<0（i=1，2…,n）,則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。</p><p>　　MATLAB中有多個用于求取閉環(huán)特征根的函數(shù)，逐一介紹如下：</p><p>　?。?/p>

54、1）函數(shù)[num，den]=feedback（num1，den1，num2，den2，X）：用于計算一般反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。其中前向傳遞函數(shù)為G（s）=num1/den1，反饋傳遞函數(shù)為H（s）=num2/den2。右變量為G（s）和H（s）的參數(shù)，左變量返回系統(tǒng)的閉環(huán)參數(shù)，X=1為正反饋，X=-1為負(fù)反饋，缺省時作負(fù)反饋計。</p><p>　?。?）pzmap(sys)函數(shù)：繪制傳遞函數(shù)的零極點圖，極點以

55、“x”表示，零點以“o”表示。</p><p>　?。?）p=pole（sys）：計算系統(tǒng)極點。</p><p>　?。?）r=roots（p）：求多項式的根。p為多項式系數(shù)行向量。</p><p>　?。?）pr=real（p）：取多項式系數(shù)向量的實部。把在截斷誤差級的虛部去除。</p><p>　　Pm=imag（p）：取多項式系數(shù)向量的

56、虛部。把在截斷誤差級的實部去除。</p><p>　?。?）step(num, den) 由階躍響應(yīng)看是否發(fā)散</p><p>　　5.3.4 頻域法穩(wěn)定性分析</p><p>　　奈氏判據(jù):反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是半閉合曲線不穿過(-1,j0)點且逆時針包圍臨界點(-1,j0)點的圈數(shù)R等于開環(huán)傳遞函數(shù)的正實部極點數(shù)P。</p><p&

57、gt;　　對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)：設(shè)P為開環(huán)系統(tǒng)正實部的極點數(shù)，反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是和時，曲線穿越線的次數(shù)</p><p><b>　　滿足</b></p><p><b>　　例5-14 </b></p><p>　　K=5時，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性</p><p><b>　　num=

58、5;</b></p><p>　　den=conv(conv([1 0],[1 1]),[0.1 1]);</p><p>　　[numb,denb]=feedback(num,den,1,1) </p><p>　　pzmap(numb,denb)</p><p><b>　　顯示如圖5-1</b><

59、/p><p>　　由圖5-1顯示，特征方程的根全部都具有負(fù)實部，從時域法穩(wěn)定性判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　sys=tf(numb,denb)</p><p>　　p=pole(sys)</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　5</b></

60、p><p>　　-------------------------</p><p>　　0.1 s^3 + 1.1 s^2 + s + 5</p><p><b>　　p =</b></p><p>　　-10.5011 </p><p>　　-0.2494 + 2.1678i<

61、;/p><p>　　-0.2494 - 2.1678i</p><p>　　可見特征方程的根全部都具有負(fù)實部，從時域法穩(wěn)定性判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定</p><p>　　r= roots(denb)</p><p><b>　　r =</b></p><p>　　-10.5011 </p

62、><p>　　-0.2494 + 2.1678i</p><p>　　-0.2494 - 2.1678i</p><p>　　可見特征方程的根全部都具有負(fù)實部，從時域法穩(wěn)定性判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定</p><p>　　圖5-1 零極點分布圖</p><p>　　圖5-2 階躍響應(yīng)曲線</p><p>　

63、　pr=real(p) </p><p><b>　　pr =</b></p><p><b>　　-10.5011</b></p><p><b>　　-0.2494</b></p><p><b>　　-0.2494</b></p>&l

64、t;p>　　可見特征方程的根全部都具有負(fù)實部，從時域法穩(wěn)定性判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定</p><p>　　step(numb, denb)</p><p>　　得圖5-2的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖5-2的階躍響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)是收斂的，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p><b>　　5.4 實驗內(nèi)容</b></

65、p><p>　　5.4.1 建立傳遞函數(shù)</p><p>　?。?）我先用階躍響應(yīng)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)反饋到計算機(jī)中，并保存如圖5-3。</p><p>　　圖5-3 階躍例3</p><p>　　然后在MATLAB中使用函數(shù)idvar如圖5-4</p><p>　　圖5-4 idver應(yīng)用</p><p

66、>　　這里反應(yīng)的是本系統(tǒng)的仿真時間，步驟是輸入信號，響應(yīng)變量從實際系統(tǒng)和[0 2]的分子和分母的程度。</p><p>　　根據(jù)idvar功能，我得到了我的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　19815.53490</p><p>　　F(s) = ------------------------------</p><p>　　43

67、.25781 + 42.38108 s^1 + s^2</p><p>　　5.4.2 模型和實際比較</p><p>　　（2）然后設(shè)計一個以模型和實際的過程如圖5-5</p><p><b>　　圖5-5 比較</b></p><p>　　其中模型的num=19815.53490;</p><

68、p>　　den=[1 42.38108 43.25781];</p><p>　　在這里，我真正的系統(tǒng)和運行在同一時間模擬系統(tǒng)，然后檢查他們的表現(xiàn)（圖5-6）紅色曲線為模型模擬和黃色的輸出是真正的過程。比較這兩條曲線，我認(rèn)為他們相互匹配良好。</p><p>　　圖5-6 階躍響應(yīng)比較曲線</p><p>　?。?）最后，我試圖找到這個系統(tǒng)（分母根）和狀態(tài)空

69、間函數(shù)特征值的極點。得到分母的根：</p><p>　　num=19815.53490;</p><p>　　den=[1 42.38108 43.25781];</p><p>　　roots(den)</p><p>　　ans = -41.3346</p><p><b>　　-1.0465</

70、b></p><p>　　5.4.3 結(jié)果分析</p><p>　　因此，這個函數(shù)的極點是-41.3346和-1.0465，可見特征方程的根全部都具有負(fù)實部，從時域法穩(wěn)定性判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定，且由圖4-7可得階躍響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)是收斂的，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　6 電機(jī)控制系統(tǒng)的根軌跡分析</p><p><b>　

71、　6.1 實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　　（1）學(xué)會在MATLAB運行環(huán)境下繪制根軌跡圖；</p><p>　?。?）學(xué)會在MATLAB運行環(huán)境下分析根軌跡圖。</p><p>　　6.2 實驗設(shè)備及儀器</p><p><b>　?。?）計算機(jī)；</b></p><p>　?。?/p>

72、2）MATLAB仿真軟件；</p><p><b>　?。?）電機(jī)。</b></p><p><b>　　6.3 實驗原理</b></p><p>　　6.3.1 根軌跡概念</p><p>　　根軌跡簡稱根跡，它是反映了控制系統(tǒng)某個參數(shù)由零到無窮大變化時，閉環(huán)特征根在平面上移動的軌跡[10]。在無

73、零極點對消時，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根就是閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點。根軌跡分析是分析和設(shè)計線性定?？刂葡到y(tǒng)的圖解方法，使用十分簡單。利用它可以對系統(tǒng)進(jìn)行各種系性能分析：</p><p><b>　?。?）穩(wěn)態(tài)性能</b></p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)雜坐標(biāo)原點有一個極點，因此根軌跡上的K值就是靜態(tài)速度誤差系數(shù)，如果給定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差要求，則可由根軌跡確定閉環(huán)極點容許的范圍。&l

74、t;/p><p><b>　?。?）動態(tài)分析</b></p><p>　　當(dāng)所有閉環(huán)極點位于實軸上，系統(tǒng)為過阻尼系統(tǒng)，單位階躍響應(yīng)為非周期過程；當(dāng)閉環(huán)兩個極點重合，系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)，單位階躍響應(yīng)仍為非周期過程，當(dāng)閉環(huán)極點為復(fù)數(shù)極點，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，單位階躍響應(yīng)為阻尼振蕩過程[11]。</p><p>　　6.3.2 MATLAB繪制根軌跡圖的指

75、令</p><p>　　rlocus(num, den)或rlocus(g)：開環(huán)增益k的范圍自動設(shè)定。</p><p><b>　　例如：畫根軌跡</b></p><p>　　num=[1 3];</p><p>　　den=conv([1 0],[1 2]);</p><p>　　rlocus

76、(num,den)</p><p><b>　　顯示如圖6-1：</b></p><p><b>　　圖6-1 根軌跡</b></p><p>　　rlocus(num, den，k)：開環(huán)增益k的范圍由人工設(shè)定。</p><p>　　r=rlocus(num, den)：返回變量格式。計算所得的

77、閉環(huán)根r返回至MATLAB窗口，不作圖。</p><p>　　[r, k]=rlocus(num, den)：返回變量格式。計算所得的閉環(huán)根r（矩陣）和對應(yīng)的開環(huán)增益k（向量）返回至MATLAB窗口，不作圖。</p><p>　　Pzmap(g)：計算零極點并作圖。 </p><p>　　[p, z]=pzmap(num, den)：返回變量格式。計算所得的零極點向

78、量p，z返回至MATLAB命令窗口，不作圖。</p><p>　　[k, r]=rlocfind(num, den)：在作好的根軌跡圖上，確定選定閉環(huán)根位置的增益值k和閉環(huán)根r(向量)的值。</p><p>　　注意：此命令執(zhí)行前，先執(zhí)行命令rlocus(num, den)，作出根軌跡圖，再執(zhí)行該命令，出現(xiàn)提示語句“Select a point in the graphics window

79、”</p><p>　　要求在根軌跡圖上選定閉環(huán)根的位置。將鼠標(biāo)移至根軌跡圖選定位置，單</p><p>　　擊左鍵確定，圖上出現(xiàn)“+”標(biāo)記，在MATLAB平臺上即得到了該點的增益值</p><p>　　k和閉環(huán)根r（向量）的返回變量值。 </p><p><b>　　6.4 實驗內(nèi)容</b></p>&l

80、t;p>　　6.4.1 設(shè)置傳函</p><p>　　由上一個實驗我們可知系統(tǒng)的階躍響應(yīng)與傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（6-1）</b></p><p>　　的曲線相同，因此我們只要對這個傳遞函數(shù)進(jìn)行根軌跡分析就可以了。</p><p>　　6.4.2 編寫程序</p><p>

81、<b>　?。?）根的分布</b></p><p>　　num=19815.53490;</p><p>　　den=[1 42.38108 43.25781];</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p><b>　　顯示如圖6-2</b></p><p

82、>　　圖6-2 根軌跡（1）</p><p>　　由上圖我們可以很容易的發(fā)現(xiàn)這個傳遞函數(shù)的特征根都在左半平面即這個系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　（2）算所得的閉環(huán)根r（矩陣）和對應(yīng)的開環(huán)增益k（向量）</p><p>　　num=19815.53490;</p><p>　　den=[1 42.38108 43.25781];<

83、;/p><p>　　[r, k]=rlocus(num, den)</p><p><b>　　運行結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　r =</b></p><p>　　1.0e+003 *</p><p>　　-0.0413 -0.0010

84、 </p><p>　　-0.0412 -0.0012 </p><p>　　-0.0411 -0.0013 </p><p>　　-0.0408 -0.0016 </p><p>　　-0.0400

85、 -0.0024 </p><p>　　-0.0381 -0.0042 </p><p>　　-0.0327 -0.0097 </p><p>　　-0.0218 -0.0206 </p><p&

86、gt;　　-0.0212 -0.0212 </p><p>　　-0.0212 + 0.0006i -0.0212 - 0.0006i</p><p>　　-0.0212 + 0.0149i -0.0212 - 0.0149i</p><p>　　-0.0212 + 0.0322i -0.0212 - 0.0322i&l

87、t;/p><p>　　-0.0212 + 0.0540i -0.0212 - 0.0540i</p><p>　　-0.0212 + 0.0851i -0.0212 - 0.0851i</p><p>　　-0.0212 + 1.7531i -0.0212 - 1.7531i</p><p>　　Inf Inf

88、 </p><p><b>　　k =</b></p><p>　　Columns 1 through 11 </p><p>　　0 0.0002 0.0005 0.0011 0.0026 0.0060 0.0138 0.0205 0.0205 0.0205 0.0

89、317</p><p>　　Columns 12 through 16 </p><p>　　0.0728 0.1676 0.3856 155.1251 Inf</p><p>　　上面的r值與K值相對應(yīng)。</p><p>　?。?）計算所得的零極點向量p，z</p><p>　　num=19

90、815.53490;</p><p>　　den=[1 42.38108 43.25781];</p><p>　　[k,r]=rlocfind(num,den)</p><p><b>　　運行結(jié)果如下:</b></p><p><b>　　p =</b></p><p>

91、<b>　　-41.3346</b></p><p><b>　　-1.0465</b></p><p><b>　　z =</b></p><p>　　Empty matrix: 0-by-1</p><p>　　6.4.3 結(jié)果分析</p><p>

92、　　由上面實驗可知階躍響應(yīng)輸入的控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的特征根都在左半平面且極點實數(shù)都為負(fù)值所以系統(tǒng)熊穩(wěn)定。</p><p>　　7 電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　7.1 實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　　（1）學(xué)會利用MATLAB中的Simulink創(chuàng)建傳遞函數(shù)；</p><p>　　（2）用所建的

93、傳遞函數(shù)設(shè)計系統(tǒng)并給出運行圖像；</p><p>　?。?）觀察不同的超調(diào)量對系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)臺我影響。</p><p>　　7.2 實驗設(shè)備及儀器</p><p><b>　?。?）計算機(jī)；</b></p><p>　?。?）MATLAB仿真軟件；</p><p><b>　　（3）電機(jī)。&

94、lt;/b></p><p><b>　　7.3 實驗原理</b></p><p><b>　　7.3.1 超調(diào)量</b></p><p>　　超調(diào)量是指輸出量的最大值減去穩(wěn)態(tài)值，與穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)，二階系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出為最大輸出在峰值時為最大，把tm代入輸出公式，減1除t等于把 代入，可求出%表達(dá)式。超調(diào)量是控制系統(tǒng)

95、動態(tài)性能指標(biāo)中的一個，是線性控系統(tǒng)在階躍信號輸入下的響應(yīng)過程曲線也就是階躍相應(yīng)曲線分析動態(tài)性能的一個指標(biāo)值。</p><p>　　7.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　而這個設(shè)計的理論控制環(huán)如下圖7-1所示，根據(jù)理論控制環(huán)設(shè)計的現(xiàn)實控制環(huán)如圖7-2所示：</p><p>　　圖7-1 理論控制</p><p>　　上圖中G(s)函數(shù)為傳

96、遞函數(shù)為</p><p>　　圖7-2 實際控制</p><p><b>　　7.4實驗內(nèi)容</b></p><p>　　7.4.1 設(shè)置不同超調(diào)量</p><p>　?。?）先設(shè)置變量程序</p><p>　　os=0.07;% 超調(diào)量</p><p>　　hh=log

97、(os);</p><p>　　d=-hh/(sqrt(pi*pi+hh*hh)); </p><p>　　km = den(3)/num; %km=電壓/速度</p><p>　　p=roots(den); %計算特征方程的根

98、</p><p>　　t1=-1/min(real(roots(den))); %較小的時間常數(shù)</p><p>　　t2=-1/max(real(roots(den))); %較大的時間常數(shù)</p><p>　　ki=num/den(3); </p><p>　　k=t1/(4*t2*d*d)

99、 </p><p><b>　　tn=t1 </b></p><p>　　其中超調(diào)量os可以去不同值。這里去超調(diào)量為0.07在MATLAB中運行結(jié)果如下：</p><p><b>　　k =</b></p><p><b>　　0.0124</b></p>

100、<p><b>　　tn =</b></p><p><b>　　0.0199 </b></p><p><b>　?。?）設(shè)計傳遞函數(shù)</b></p><p>　　利用上面給定的數(shù)值設(shè)定2個模塊然后利用這2個模塊設(shè)計傳遞函數(shù)如圖7-3所示:。</p><p>　　圖

101、7-3 傳遞函數(shù)</p><p>　　上圖的傳遞函數(shù)的仿真曲線如下圖7-4所示：</p><p>　　圖7-4 傳遞函數(shù)曲線</p><p>　　（3）然后通過傳遞函數(shù)設(shè)計的電機(jī)的控制系統(tǒng)。用傳遞函數(shù)與電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計一個以模型和實際的過程的比較如圖7-5：</p><p>　　圖7-5 模型和實際</p><p&g

102、t;　　比較的結(jié)果曲線如圖7-6：</p><p>　　圖7-6 比較曲線（1）</p><p>　　黃色曲線為模型模擬和紅色的輸出是真正的過程。比較這兩條曲線，我認(rèn)為他們相互匹配良好。</p><p>　?。?）當(dāng)超調(diào)量為0.10時</p><p>　　把OS的值改為0.10然后運行程序。最后運行圖7-5其顯示的實驗結(jié)果如下圖7-7<

103、;/p><p>　　圖7-7 比較曲線（2）</p><p>　　紅色曲線為模型模擬和黃色的輸出是真正的過程。比較這兩條曲線，我認(rèn)為他們也是相互匹配良好。</p><p>　　7.4.3 實驗結(jié)論</p><p>　　根據(jù)圖7-6和圖7-7可知超調(diào)量越大電機(jī)的振幅越大越難到達(dá)平衡點。</p><p><b>　

104、　8 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計方案按照任務(wù)書的要求，通過德國引進(jìn)的CATS系統(tǒng)和MATLAB軟件完成應(yīng)用設(shè)計出基于網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的電機(jī)控制實驗。網(wǎng)絡(luò)實驗平臺是全新的實驗教學(xué)模式, 不僅可以解決實驗設(shè)備緊缺的問題, 而且還可以實現(xiàn)實驗室資源共享和團(tuán)體合作研究。本文是針對電機(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺,通過實驗我更能體會工業(yè)自動化控制的知識：通過直流電機(jī)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)速控制，通過在實際工業(yè)組件設(shè)備上進(jìn)

105、行實驗操作，能更有效地提升學(xué)習(xí)價值。</p><p>　　實驗是先通過階躍響應(yīng)輸入CATS系統(tǒng)來控制電機(jī)運行，在MALAB中繪出電機(jī)運行狀態(tài)曲線對其進(jìn)行時域分析。而根據(jù)反饋信息得出一個傳遞函數(shù)，通過比較電機(jī)運行曲線和新建傳遞函數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)曲線基本吻合，所以通過這個傳遞函數(shù)來對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和根軌跡分析我們能知道輸入階躍響應(yīng)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分析結(jié)果這個控制系統(tǒng)穩(wěn)定。然后我又上述結(jié)論設(shè)計了一個新的傳遞函數(shù)然后

106、根據(jù)這個傳函設(shè)計電機(jī)控制系統(tǒng)利用設(shè)置不同的超調(diào)量來觀察電機(jī)的運行曲線的變化。</p><p>　　網(wǎng)格技術(shù)的不斷研究與發(fā)展必然會給網(wǎng)絡(luò)世界帶來翻天覆地的變化，未來的設(shè)備網(wǎng)格一定會取代現(xiàn)在的這種網(wǎng)絡(luò)的實驗平臺，但是網(wǎng)絡(luò)的實驗平臺簡單，易用，可以提供豐富的互操作和遠(yuǎn)程調(diào)用，并且能夠很容易的過渡到網(wǎng)格框架底下，所以對網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的研究還是很有價值的。</p><p><b>　　參考文

107、獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] F. J. Jimnez-Leube, A. Alm endra , C. Go nzlez, and J. Sa nz-M audes . Net wo rked Implementatio n of an Elect rical Measurement Labor ato ry for Fir st Co ur se Eng ineering St udie

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