自动控制原理课程设计.docx
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自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计报告
课程名称:
自动控制原理
设计题目:
自动控制原理MATLAB仿真
院系:
自机学院
班级:
电气
(1)班
设计者:
**
学号:
***004170219
指导教师:
************
设计时间:
2013年1月
一.实验目的和意义:
1.了解matlab软件的基本特点和功能,熟悉其界面,菜单和工具条;掌握线性系统模型的计算机表示方法,变换以及模型间的相互转换。
了解控制系统工具箱的组成,特点及应用;掌握求线性定常连续系统输出响应的方法,运用连续系统时域响应函数(impulse,step,lsim),得到系统的时域响应曲线。
2.掌握使用MATLAB软件作出系统根轨迹;利用根轨迹图对控制系统进行分析;掌握使用MATLAB软件作出开环系统的波特图,奈奎斯图;观察控制系统的开环频率特性,对控制系统的开环频率特性进行分析。
3.掌握MATLAB软件中simulink工具箱的使用;熟悉simulink中的功能模块,学会使用simulink对系统进行建模;掌握simulink的方真方法。
二.实训内容
1.用matlab语言编制程序,实现以下系统:
1)
G(s)=
程序:
num=[524018];
den=[14622];h=tf(num,den)
h=tf(num,den)
Transferfunction:
5s^3+24s^2+18
-----------------------------
s^4+4s^3+6s^2+2s+2
2)
G(s)=
输入以下程序
n1=4*[12];
n2=[166];
n3=[166];
num=conv(n1,conv(n2,n3));
d1=[11];
d2=[11];
d3=[11];
d4=[1325];
den1=conv(d1,d2);
den2=conv(d3,d4);
>>den=[den1den20];
>>h=tf(num,den)
Transferfunction:
4s^5+56s^4+288s^3+672s^2+720s+288
-----------------------------------------------------
s^8+2s^7+s^6+s^5+4s^4+5s^3+7s^2+5s
2.两环节G1,G2串联,求等效的整体传递函数G(s)
G1(s)=
G2(s)=
程序:
n1=[2];d1=[13];sys1=tf(n1,d1);
n2=[7];d2=[121];sys2=tf(n2,d2);
sys12=sys1*sys2
Transferfunction:
14
---------------------
s^3+5s^2+7s+3
3.两环节G1,,G2并联,求等效的整体传递函数G(s)
G1(s)=
G2(s)=
输入以下指令:
num1=[2];den1=[13];sys1=tf(num1,den1);
num2=[7];den2=[121];sys2=tf(num2,den2);
sys12=sys1+sys2
Transferfunction:
2s^2+11s+23
---------------------
s^3+5s^2+7s+3
4.已知系统结构如图,求闭环传递函数。
其中的两环节G1,G2分别为G1(s)=
G2(s)=
输入以下指令:
n1=[3100];d1=[1281];
n2=[2];d2=[25];
s1=tf(n1,d1);s2=tf(n2,d2);
sys=feedback(s1,s2)
Transferfunction:
6s^2+215s+500
---------------------------
2s^3+9s^2+178s+605
5.已知某闭环系统的传递函数为G(s)=
求其单位阶跃响应曲线,单位脉冲响应曲线。
1)单位阶跃响应
输入如下指令:
num=[1025];
den=[0.161.961025];
y=step(num,den,t);plot(t,y);
grid;(绘制单位阶跃响应图)
title;(单位阶跃响应曲线图)
图5.1.1系统的阶跃响应曲线
2)单位脉冲响应
输入如下指令:
num=[1025];
den=[0.161.961025];
t=0:
0.01:
3;
y=impulse(num,den,t);
plot(t,y);grid;
图5.1.2系统的脉冲响应曲线
6.典型二阶系统的传递函数为G(s)=
为自然频率,
为阻尼比,试绘制出当
=0.5,
分别取-2,0,2,4,6,8,10时该系统的单位阶跃响应曲线;分析阻尼比分别为-0.5,-1时系统的稳定性。
输入如下指令:
(1).当
=0.5,
分别取-2、0、2、4、6、8、10时
w=0:
2:
10;
kosai=0.5;
figure
(1)
holdon
forWn=w
num=Wn^2;
den=[1,2*kosai*Wn,Wn^2];
step(num,den);
end
holdoff
gridon;
title('单位阶跃响应')
xlabel('时间')
ylabel('振幅')
图6.1.1
=0.5,
分别取-2、0、2、4、6、8、10时的曲线图
(2).当
=-0.5
w=0:
2:
10;
kosai=-0.5;
figure
(1)
holdon
forWn=w
num=Wn^2;
den=[1,2*kosai*Wn,Wn^2];
step(num,den);
end
holdoff
gridon;
title('单位阶跃响应')
xlabel('时间')
ylabel('振幅')
图6.1.2
=-0.5时,系统的单位阶跃响应曲线图
(3.当
=-1
w=0:
2:
10;
kosai=-1;
figure
(1)
holdon
forWn=w
num=Wn^2;
den=[1,2*kosai*Wn,Wn^2];
step(num,den);
end
holdoff
gridon;
title('单位阶跃响应')
xlabel('时间')
ylabel('振幅')
图6.1.3
=-1时单位阶跃响应曲线图
分析:
由以上结果可以知道当
确定,
取-0.5和-1时,其单位阶跃响应曲线是发散的,所以系统不稳定。
阻尼比
越大,振荡越弱,平稳性越好,反之,阻尼比
越小,振荡越强,平稳性越差。
7.设有一高阶系统开环传递函数为G(s)=
试绘制该系统的零极点图和闭环根轨迹图。
1)系统的零极点
输入如下指令:
num=[0.0160.2181.4369.359];
den=[0.060.2680.6356.271];
[z,p,k]=tf2zp(num,den)
运行结果:
z=
-10.4027
-1.6111+7.3235i
-1.6111-7.3235i
p=
-5.7710
0.6522+4.2054i
0.6522-4.2054i
k=
0.2667
图7.1.1系统的零极点图
2)系统的闭环根轨迹
输入如下指令:
num=[0.0160.2181.4369.359];
den=[0.060.2680.6356.271];
rlocus(num,den)
图7.1.2系统的闭环根轨迹图
8.单位反馈系统前向通道的传递函数为:
G(s)=
试绘制该系统的Bode图和Nyquist曲线,说明软件绘制曲线与手动绘制曲线的异同。
1)绘制该系统的Bode图:
输入如下指令:
num=[00281282];
den=[151010510];
margin(num,den)
图8.1.1系统的Bode图
2)系统的Nyquist图
输入如下指令:
num=[00281282];
den=[151010510];
nyquist(num,den)
图8.1.2系统Nyquist曲线
9.已知某控制系统的开环传递函数G(s)=
=1.5,试绘制系统的开环频率特性曲线,并求出系统的幅值和相位裕量。
输入如下指令:
d1=[11];
d2=[12]
den1=conv(d1,d2);den=[den10];
num=[10];
bode(num,den)
程序运行结果如图所示
图9.1.1系统的开环频率特性曲线
[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den)
运行结果如下:
Gm=0.6000%幅值裕量
pm=-12.9919%相角裕量
wcg=1.4142%Nyquist曲线与负实轴交点处频率
wcp=1.8020%截止频率
10.在SIMULINK中建立系统,该系统阶跃输入时的连接示意图如下。
K为学生学号后三位。
绘制其单位阶跃响应曲线,分析其峰值时间,延迟时间,上升时间,调节时间及超调量。
输入如下程序:
num=[219];
den=[19219];
step(num,den);
grid;
图10.1.1单位阶跃响应曲线
分析其峰值时间
,延迟时间
,上升时间
,调节时间
及超调量
num=[219];
den=[19219];
[y,x,t]=step(num,den);
[peak,k]=max(y);
overshoot=(peak-1)*100
tp=t(k)
n=1;
whiley(n)<1
n=n+1;
end
tr=y(n)
m=length(t)
while((y(m)>0.98)&(y(m)<1.02))
m=m-1;
运行结果:
overshoot=
36.6697
tp=
0.2209
tr=
1.0132
m=
115
ts=
0.7485
11.给定系统如下图所示,设计一个串联校正装置,使幅值裕度大于h>10分贝,相位裕度
大于等于45度。
程序如下:
G=tf(100,[0.04,1,0]);
[Gw,Pw,Wcg,Wcp]=margin(G)
G1=tf(100,[0.04,1,0]);
G2=tf(100*[0.025,1],conv([0.04,1,0],[0.01,1]))
bode(G1)
hold
bode(G2,'r')
grid
figure
G1c=feedback(G1,1);
G2c=feedback(G2,1);
step(G1c)
hold
step(G2c,'r')
grid
结果如下:
Gw=
Inf
Pw=
28.0243
Wcg=
Inf
Wcp=
46.9701
Transferfunction:
2.5s+100
-------------------------
0.0004s^3+0.05s^2+s
矫正前后的bode图和域响应图如下:
图11.1矫正前后的bode图
图11.2矫正前后的时域响应图
三.总结
本次课题设计,不仅是对前面所学知识的一种检验,而且是对自己能力的一种提升。
在设计过程中,我们通过到图书馆借阅了大量的自动控制原理MATLAB实现的相关资料,自学的时候与同学交流探讨,一步一步的分析和研究,并在老师和同学的帮助下,解决各种问题,最终完成了课题设计。
在此期间遇到了不少问题,首先是对之前所学知识的遗忘,再次,MATLAB的初次见面也很陌生。
不仅要复习自动控制原理的相关知识,还要学习MATLAB软件的使用。
通过这次课程设计,我巩固了自动控制原理所学的基本知识。
同时,最主要的是对MATLAB软件有了初步了解,为以后的学习奠定一定的基础。
也使我们明白了实践与理论相结合的重要性。
在此过程中态度问题也是非常重要的。
初步使用MATLAB时,不是很熟悉,出现了许多的问题,影响了实验的准确性。
通过这次课题设计,锻炼了我们独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力;让我们学会使用MATLAB和Simulink动态仿真工具进行仿真与调试,更能提高我们自身的能力,理论与实践相结合,有助于我们自己的学习研究!
四.参考文献
【1】程鹏,自动控制原理(第二版),高等教育出版社,2003
【2】胡松涛,自动控制原理简明教程(第二版),科学出版社,2009
【3】赵广元,MATLAB与控制系统仿真实践,北京航空航天大学出版社,2009
【4】张德丰,MATLAB自动控制设计,北京机械工业出版社,2010
【5】黄忠霖,自动控制原理的MATLAB实现,北京国防工业出版社,2006
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- 关 键 词:
- 自动控制 原理 课程设计
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