自动控制原理课程设计实习.docx
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自动控制原理课程设计实习.docx
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自动控制原理课程设计实习
自动控制原理课程设计实习
姓名:
郭家林
班级:
测控12-1
学号:
08号
院系:
电气信息工程学院
实习日期:
2014年6月9日至6月13日北华大学
目录
一、实习目的和任务……………………………………….…P3
二、软件介绍………………………………………………….P4
三、校正前系统分析………………………………………….P5.
四、理论校正思想………………………………………….....P11
五、利用MATLAB进行设计过程…………………………..P12
六、校正后系统分析…………………………….………..…..P15
七、失误及总结………………………………………………P17
八、参考文献…………………………………………………P18
实习目的:
1.进一步掌握自动控制原理课程所学的理论知识。
2.熟悉几种常用系统的校正方法及其利用MATLAB进行仿真。
3.了解控制系统校正的基本思想和方法,学会科学分析和解决问题。
4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5.作为课程实验与毕业设计的过度,课程设计为两者提供了一个桥梁。
实习任务:
电动机转速控制系统的开环传递函数为G0(s=20/s(0.05s+1(0.5s+1,试设计一个校正装置,使校正后的系统的相位裕量γ>=45°,幅值裕量GM>=10dB。
3
软件介绍:
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合,意为矩阵工厂(矩阵实验室。
MATLAB工作界面
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户直接进行下载就可以用。
MATLAB产品系列重要功能:
·MATLAB®:
MATLAB语言的单元测试框架
·TradingToolbox™:
一款用于访问价格并将订单发送到交易系统的新产品·FinancialInstrumentsToolbox™:
赫尔-怀特、线性高斯和LIBOR市场模型的校准和MonteCarlo仿真
·ImageProcessingToolbox™:
使用有效轮廓进行图像分割、对10个函数实现C代码生成,对11个函数使用GPU加速
·ImageAcquisitionToolbox™:
提供了用于采集图像、深度图和框架数据的Kinect®forWindows®传感器支持
4
·StatisticsToolbox™:
用于二进制分类的支持向量机(SVM、用于缺失数据的PCA算法和Anderson-Darling拟合优度检验
·DataAcquisitionToolbox™:
为DigilentAnalogDiscoveryDesignKit提供了支持包
·VehicleNetworkToolbox™:
为访问CAN总线上的ECU提供XCP支持
Simulink产品系列重要功能
·Simulink®:
SimulationPerformanceAdvisor,链接库模块的封装,以及通过逻辑表达式控制有效变量
·Simulink:
除LEGO®MINDSTORMS®NXT、Arduino®、Pandaboard和Beagleboard外,还为RaspberryPi™和Gumstix®Overo®硬件提供了内置支持
·SimRF™:
针对快速仿真和模型加载时间的电路包络求解器
·SimMechanics™:
发布了用于从CAD和其他系统导入模型的XML架构
·SimulinkDesignVerifier™:
数组超出边界检查
MATLAB和Simulink的系统工具箱
·CommunicationsSystemToolbox™:
Sphere解码器和Constellation框图系统对象
·ComputerVisionSystemToolbox™:
Viola-Jones对象检测培训,FREAK特征提取和其他新函数
·DSPSystemToolbox™:
频谱分析仪和逻辑分析示波器,以及时域示波器的触发
·PhasedArraySystemToolbox™:
极化支持、数组锥化以及针对传感器数组分析、波形分析和雷达方程计算的应用程序
代码生成和实现
·SimulinkCoder™:
减少了从Stateflow®调用的Simulink函数的数据副本
·Fixed-PointDesigner™:
一款结合了Fixed-PointToolbox™和SimulinkFixedPoint™功能的新产品
·HDLVerifier™:
从MATLAB生成HDL测试工作台
5
校正前系统的分析:
校正前系统的频率特性:
利用MATLAB进行编程如下:
>>n0=20;d0=conv([0.510],[0.051];
[gm0,pm0,wcg0,wcp0]=margin(n0,d0
gm0=
1.1000
pm0=
1.5763
wcg0=
6.3246
wcp0=
6.0291
幅值裕量为1.1000,相位裕量为1.5763,幅值穿越频率6.3246,相位穿越频率6.0291,相位裕量和幅值裕量几乎约等于0很明显不满足要求。
校正前的系统的阶跃响应:
利用MATLAB编程
>>n0=20;d0=conv([0.510],[0.051];[n0,d0]=cloop(n0,d0;t=0:
0.1:
100;[y,x,t]=step(n0,d0,t;plot(t,y
6
图像如下:
超调量为92%
由图中可以看出K=20时,系统动态指标很差,调节时间快接近60s才趋于稳定。
校正前系统的伯德图:
利用MATLAB编程:
>>n0=20;d0=conv([0.510],[0.051];
>>bode(n0,d0
图像如下:
7
校正前系统的奈氏图:
利用MATLAB编程
>>n0=20;d0=conv([0.510],[0.051];nyquist(n0,d0
图像如下:
8
校正前系统的根轨迹:
利用MATLAB编程
>>n0=1;d0=conv([0.510],[0.051];rlocus(n0,d0,[k,poles]=rlocfind(n0,d0Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
0+6.3354i
k=
9
22.0755
poles=
-22.0058
0.0029+6.3346i
0.0029-6.3346i
由此可见,根轨迹与虚轴交点处的增益K=22,这说明当K<22时系统稳定,当K>22时,系统不稳定。
10
校正前系统的结构图:
校正前系统的仿真图:
可以看出系统的快速性比较差,达到稳态时间比较长
理论校正思想(滞后校正:
未校正系统的的幅值穿越频率wc0=6.32rad/s,r0约等于0°,根据要求的相位裕量可确定校正后的相位裕量为r’=r+(5°~15°=55°,而γwc=γ’+(-180°=-90°-arctan0.5wc-arctan0.05wc,算出校正后幅值穿越频率
11
wc=1.2253rad/s。
由于在该频率处,未校正系统的对数幅值为L0(wc=20lg(20/wc=-20lgb,算出b=0.06125,又1/bT=0.2s^-1,则T=89.33s,于是求得滞后校正环节的传递函数Gc(s=5s+1/89.33s+1,校正后系统的开环传递函数为Gk(s=G0(s*Gc(s=100s+20/s(0.5s+1(0.05s+1(89.33s+1
利用MATLAB进行设计:
>>numo=20;deno=conv([0.510],[0.051];
>>[Gm1,Pm1,Wcg1,Wcp1]=margin(numo,deno;
>>r=45;w=logspace(-3,0;
>>[mag1,phase1]=bode(numo,deno,w;
>>forepsilon=5:
15
r0=(-180+r+epsilon;
[i1,ii]=min(abs(phase1-r0;
wc=w(ii;
alpha=mag1(ii;
T=5/wc;
numc=[T,1];denc=[alpha*T,1];
[num,den]=series(numo,deno,numc,denc;
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den;
if(Pm>=r;break;end;
12
end
>>printsys(numc,denc;printsys(num,den;
num/den=
5s+1
-------------
89.3311s+1
num/den=
100s+20
--------------------------------------------------------2.2333s^4+49.1571s^3+89.8811s^2+s得到校正后的开环传递函数:
100s+20
----------------------------------------------------------202333s^4+49.1571s^3+89.8811s^2+s校正装置的开环传递函数:
5s+1
---------------
89.3311s+1
13
校正后系统的分析:
校正后的系统的频率特性为:
>>num=[10020];den=conv([0.510],conv([0.051],[83.331];>>[gm0,pm0,wcg0,wcp0]=margin(num,den
gm0=
16.4361
pm0=
48.7842
wcg0=
5.9887
wcp0=
1.0738
校正后系统的幅值裕量为16.4,相位裕量为48.8,幅值穿越频率为6,相位穿越频率为1.1,故满足要求。
校正后系统的阶跃响应:
>>num=[10020];den=conv([0.510],conv([0.051],[83.331];[num,den]=cloop(num,den;
>>t=0:
0.1:
10;[y,x,t]=step(num,den,t;plot(t,y
14
校正后系统的伯德图为:
>>num=[10020];den=conv([0.510],conv([0.051],[83.331];>>bode(num,den
校正后系统的伯德图:
15
校正后系统的结构图:
仿真后的图像:
16
失误及总结:
总的来说这次实习挺简单的,主要是考察我们对理论知识的掌握程度及其对MATLAB的引用,当我拿到这次实习的题目后,首先对校正前系统进行了理论分析,利用MATLAB编程求出了校正前系统的各项性能指标(幅值裕量,相位裕量,幅值穿越角频率,相位穿越角频率),然后画了校正前系统的伯德图,奈氏图,根轨迹及单位阶跃响应,然后结合理论知识分析计算之后得到校正装置的传递函数然后在对校正后的装置进行分析,最后对校正前和校正后的系统进行simulink仿真对比的结果发现校正后系统的快速性提高了。
其中在对校正后的装置进行仿真的时候发现输出波形不对且不是稳定的,然后检查MATLAB的命令窗口发17
现有很多警告,于是发现选的模块不对,把零极点函数换成传递函数模块进行调试后,波形恢复正常。
经过这次实习后发现并学会了理论联系实际课程设计,通过选择的题目,根据要求,运用所学知识将其付诸实践来完成。
这并不是在课堂上的单纯听懂,或者课后看书过程中的深入理解,这需要的是一种理论联系实践的能力。
理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论,而实际的动手操作则完全不同,需要考虑实际中的很多问题。
有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。
参考文献:
《计算机仿真技术---基于MATLAB的控制原理》编《自动控制原理》张建民主编李国勇主18
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- 关 键 词:
- 自动控制 原理 课程设计 实习
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