华北电力大学 自动控制理论课程设计.docx
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华北电力大学自动控制理论课程设计
课程设计报告
(2011--2012年度第1学期)
名称:
《自动控制理论》课程设计
题目:
基于自动控制理论的性能分析与校正
院系:
动力工程系
班级:
学号:
0
学生姓名:
指导教师:
设计周数:
1周
成绩:
日期:
2012年1月6日
一、课程设计的目的与要求
本课程为《自动控制理论A》的课程设计,是课堂的深化。
设置《自动控制理论A》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能,熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件,能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题,并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。
作为自动化专业的学生很有必要学会应用这一强大的工具,并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能,以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。
通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来,而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。
通过此次计算机辅助设计,学生应达到以下的基本要求:
1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。
2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。
3.能灵活应用MATLAB的CONTROLSYSTEM工具箱和SIMULINK仿真软件,分析系统的性能。
二、主要内容
1.前期基础知识,主要包括MATLAB系统要素,MATLAB语言的变量与语句,MATLAB的矩阵和矩阵元素,数值输入与输出格式,MATLAB系统工作空间信息,以及MATLAB的在线帮助功能等。
2.控制系统模型,主要包括模型建立、模型变换、模型简化,Laplace变换等等。
3.控制系统的时域分析,主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零极点对系统性能的影响、高阶系统的近似研究,控制系统的稳定性分析,控制系统的稳态误差的求取。
4.控制系统的根轨迹分析,主要包括多回路系统的根轨迹、零度根轨迹、纯迟延系统根轨迹和控制系统的根轨迹分析。
5.控制系统的频域分析,主要包括系统Bode图、Nyquist图、稳定性判据和系统的频域响应。
6.控制系统的校正,主要包括根轨迹法超前校正、频域法超前校正、频域法滞后校正以及校正前后的性能分析。
三、进度计划
序号
设计内容
完成时间
备注
1
基础知识、数学模型
2011年12月31日
2
时域分析法、根轨迹分析、频域分析
2012年1月4日
3
系统校正
2012年1月5日
4
整理打印课程设计报告,并答辩
2012年1月6日
四、设计成果要求
上机用MATLAB编程解题,从教材或参考书中选题,控制系统模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹分析法、控制系统的频域分析法每章选择两道题。
第六章校正选四道,其中根轨迹超前校正一道、根轨迹滞后校正一道、频域法超前校正一道、频域法滞后校正一道。
并针对上机情况打印课程设计报告。
课程设计报告包括题目、解题过程及程序清单和最后的运行结果(曲线),课程设计总结或结论以及参考文献。
五、考核方式
《自动控制理论课程设计》的成绩评定方法如下:
根据
1.打印的课程设计报告。
2.独立工作能力及设计过程的表现。
3.答辩时回答问题的情况。
成绩评分为优、良、中、及格以及不及格5等。
学生姓名:
指导教师:
2012年1月6日
六、设计正文
控制系统模型
1、已知系统的传递函数为
,在MATLAB环境下获得其连续传递函数形式模型。
已知系统的脉冲传递函数为
,在MATLAB环境下获得其采样时间为7s的传递函数形式模型。
解:
程序如下:
z=[-1-3];
p=[-3-5-7];
k=4;
G1=zpk(z,p,k)
运行结果为:
程序如下
z=[-1-3];
p=[-3-5-7];
k=4;
Ts=7;
G2=zpk(z,p,k,Ts)
运行结果如下:
2、如图所示为控制系统框图,求系统的闭环传递函数。
解:
程序代码如下:
>>G1=tf([1],[11]);
G2=tf([1],[0.51]);
G3=tf([3],[10]);
H=tf([2],[21]);
Gb=G1+G2;
Gc=G3*Gb;
GH=feedback(Gc,H)
运行结果如下:
控制系统的时域分析法
1、某控制系统如图所示。
(1)当τ=0时,求系统的单位阶跃响应曲线;
(2)当τ=0.3时,求系统的冲击响应曲线
解:
(1)当τ=0时,
,
。
程序代码如下:
>>num=[10];
den=[10-1];
G=tf(num,den);
H=1;
GH=feedback(G,H)
运行后,得负反馈控制系统的传递函数:
单位阶跃响应曲线,程序代码如下:
>>symss
ezplot(ilaplace(10/s/(s^2+9)),[0,10]);
set(gca,'ytick',-0.2:
0.2:
2.4)
grid
运行结果如下:
(2)当τ=0.3时,
,
。
>>num=[10];
den=[10-1];
G=tf(num,den);
H=tf([0.31],[1]);
GH=feedback(G,H)
运行后,得负反馈控制系统的传递函数:
冲激响应曲线:
>>symss
ezplot(ilaplace(10/(s^2+3*s+9)),[06]);
axis([06-1.52]);
set(gca,'ytick',-1.5:
.3:
2);
title('\tau=0.3冲激响应曲线');
grid
运行结果如下:
2、已知单位负反馈系统的开环传递函数
,利用LTIView绘制单位阶跃响应曲线并得到相关性能指标。
解:
程序代码如下:
G=tf(conv([3],[0.51]),conv([10],conv([11],[0.251])));
GH=feedback(G,1)
运行结果如下
打开LTIView,对此系统进行分析如下:
控制系统的根轨迹法
1、已知开环传递函数:
绘制此控制系统的根轨迹图。
解:
绘制根轨迹图,程序如下:
>>G=tf(1,conv([10],[1513]));
[z,p,k]=zpkdata(G,'v')
rlocus(G);
axisequal;
axis([-84-88]);
set(findobj('marker','x'),'markersize',12);
set(findobj('marker','o'),'markersize',12);
运行后,开环零极点如下图
分析该系统得到的系统根轨迹图
2、已知开环传递函数为
,绘制此控制系统的根轨迹图。
解:
程序代码如下:
G=tf([13],conv([10],[12]));
[z,p,k]=zpkdata(G,'v')
rlocus(G);
axisequal;
set(findobj('marker','x'),'markersize',12);
set(findobj('marker','o'),'markersize',12);
运行后,结果如下:
根轨迹图如下:
控制系统的频域特性法
1、绘制二阶环节
的伯德图,其中
=0.8,
=0.1,0.5,1,1.5,2。
解:
程序代码如下
>>w=[0,logspace(-2,2,200)];
wn=0.8;
forzeta=[0.10.511.52]
G=tf([wn*wn],[wn^22*zeta*wnwn*wn]);
bode(G,w);
holdon;
end
运行结果如图所示:
2、已知一控制系统的传递函数
,求当放大系数K不断变大时,对此系统频率响应的影响
解:
程序代码如下:
>>forK=0.3:
0.4:
1.5
G=tf(K,[531]);
nyquist(G);
holdon;
end
运行结果如下
可以看出随K的增大,该系统的Nyquist曲线向外扩展,但不影响稳定性。
频域法超前校正
频域法滞后校正
根轨迹超前校正
根轨迹滞后校正
三、课程设计总结或结论
通过本次自动控制理论实践课程的设计,使我巩固了原有的理论知识,培养了我应用所学只是和技能来分析、解决实际问题的能力。
使理论与实际相结合,更加深了我对自动控制这门课程的理解和掌握,对自动控制原理的控制系统模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹分析法、控制系统的频域分析法及系统的校正有了更深层次的理解。
通过这次课程设计,我拓宽了知识面,锻炼了能力,综合素质得到较大提高,同时增加了MATLAB的认识与软件的操作技巧。
今后我会更加努力的学习有关自控这方面知识,不断扩充自己的专业知识。
四、参考文献
[1]于希宁,孙建平.自动控制原理.中国电力出版社,第二版.2009年7月
[2]刘坤等.MATLAB自动控制原理习题精解.国防工业出版社2005年2月
- 配套讲稿:
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