自动控制原理及系统仿真课程设计.docx
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自动控制原理及系统仿真课程设计.docx
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自动控制原理及系统仿真课程设计
自动控制原理及系统仿
真课程设计
学号:
27
姓名:
李斌
指导老师:
胡开明
学院:
机械与电子工程学院
2013年11月
1、设计要求.............................................................................1
2、设计报告的要求.................................................................1
3、题目及要求.........................................................................1
(一)自动控制仿真训练.................................................1
(二)控制方法训练.......................................................19
(三)控制系统的设计...................................................23
4、心得体会...........................................................................27
5、参考文献...........................................................................28
自动控制原理及系统仿真课程设计
一:
设计要求:
1、完成给定题目中,要求完成题目的仿真调试,给出仿真程序和图形。
2、自觉按规定时间进入实验室,做到不迟到,不早退,因事要请假。
严格遵守实验室各项规章制度,实验期间保持实验室安静,不得大声喧哗,不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话,若违规,则酌情扣分。
3、课程设计是考查动手能力的基本平台,要求独立设计操作,指导老师只检查运行结果,原则上不对中途故障进行排查。
4、加大考查力度,每个时间段均进行考勤,计入考勤分数,按照运行的要求给出操作分数。
每个人均要全程参与设计,若有1/3时间不到或没有任何运行结果,视为不合格。
二:
设计报告的要求:
1.理论分析与设计
2.题目的仿真调试,包括源程序和仿真图形。
3.设计中的心得体会及建议。
三:
题目及要求
一)自动控制仿真训练
1.已知两个传递函数分别为:
①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示;
MATLAB代码:
num=[1]
den=[31]
G=tf(num,den)
[EF]=zero(G)
[ABCD]=tf2ss(num,den)
num=[2]
den=[310]
G=tf(num,den)
[EF]=zero(G)
[ABCD]=tf2ss(num,den)
仿真结果:
num=2
den=310
Transferfunction:
2
---------
3s^2+s
E=Emptymatrix:
0-by-1
F=
A=0
0
B=1
0
C=0
D=0
num=1
den=31
Transferfunction:
1
-------
3s+1
E=Emptymatrix:
0-by-1
F=
A=
B=1
C=
D=0
②在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型。
MATLAB代码:
num1=[1]
den1=[31]
G1=tf(num1,den1)
num2=[2]
den2=[310]
G2=tf(num2,den2)
G3=G1*G2
G4=G1+G2
仿真结果:
num1=1
den1=31
Transferfunction:
1
-------
3s+1
num2=2
den2=310
Transferfunction:
2
---------
3s^2+s
Transferfunction:
2
-----------------
9s^3+6s^2+s
Transferfunction:
3s^2+7s+2
-----------------
9s^3+6s^2+s
2.系统的传递函数模型为
,判断系统的稳定性。
MATLAB代码:
num=[172424]
den=[110355024]
G=tf(num,den)
p=eig(G)
p1=pole(G)
r=roots(den)
仿真结果:
num=172424
den=110355024
Transferfunction:
s^3+7s^2+24s+24
---------------------------------
s^4+10s^3+35s^2+50s+24
p=
p1=
r=
3.单位负反馈系统的开环传递函数为
,绘制根轨迹图,并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。
MATLAB代码:
num=1
den=conv([10],[122])
rlocus(num,den)
axis([-88-88])
figure
(2)
r=rlocus(num,den);
plot(r,'-')
axis([-88-88])
gtext('x')
gtext('x')
gtext('x')
仿真结果:
num=1
den=0
4.已知系统的开环传递函数为
,绘制系统的Bode图和Nyquist,并能够求出系统的幅值裕度和相角裕度。
MATLAB代码:
s=tf('s')
G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+*s+1)**s+1))
figure
(1)
bode(G)
grid
figure
(2)
nyquist(G)
grid
axis([-22-55])
仿真结果:
Transferfunction:
s
Transferfunction:
50s+5
-------------------------------
s^4+s^3+s^2+s
5.考虑如图所示的反馈控制系统的模型,各个模块为
,
,
,用MATLAB语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。
MATLAB代码:
num=[4]
den=[1234]
G=tf(num,den)
G0=feedback(G,1)
step(G0)
[y,t]=step(G0)
plot(t,y)
num=[1-3]
den=[13]
G=tf(num,den)
G0=feedback(G,1)
step(G0)
[y,t]=step(G0)
plot(t,y)
num=[1]
den=[1]
G=tf(num,den)
G0=feedback(G,1)
step(G0)
[y,t]=step(G0)
plot(t,y)
num1=[4]
den1=[1234]
G1=tf(num1,den1)
num2=[1-3]
den2=[13]
G2=tf(num2,den2)
num3=[1]
den3=[1]
G3=tf(num3,den3)
G=G1*G2
G0=feedback(G,G3)
step(G0)
[y,t]=step(G0)
plot(t,y)
figure
(2)
step(G)
[y,t]=step(G)
plot(t,y)
仿真结果:
num=4
den=1234
Transferfunction:
4
---------------------
s^3+2s^2+3s+4
Transferfunction:
4
---------------------
s^3+2s^2+3s+8
y=+024*0
……
t=0
.
.……
num=1-3
den=1
Transferfunction:
s-3
-----
s+3
Transferfunction:
s-3
-----
2s
y=+004*
num=1
den=
Transferfunction:
1
----------
s+1
Transferfunction:
1
----------
s+2
y=0
t=0
num1=4
den1=1234
Transferfunction:
4
---------------------
s^3+2s^2+3s+4
num2=1-3
den2=13
Transferfunction:
s-3
-----
s+3
num3=1
den3=
Transferfunction:
1
----------
s+1
Transferfunction:
4s-12
-------------------------------
s^4+5s^3+9s^2+13s+12
Transferfunction:
s^2+s-12
---------------------------------------------------
s^5+s^4+s^3+s^2+s
y=+004*
t=0
二)控制方法训练
微分先行控制
设控制回路对象
,分别采用常规PID和微分先行PID控制后系统输出的响应曲线,比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。
Simulink仿真如下:
Smith预估控制
设控制回路对象
,设计Smith预估控制器,分别采用常规PID和Smith预估控制后系统输出的响应曲线,比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。
Simulink仿真如下:
大林算法控制
设被控对象传函
,目标闭环传递函数
,试设计大林控制器,并在Matlab中进行验证。
Simulink仿真如下:
三)控制系统的设计
1.双容水箱串级控制系统的设计
要求:
完成双容水箱控制系统的性能指标:
超调量<30%,调节时间<30s,扰动作用下系统的性能较单闭环系统有较大的改进。
1).分析控制系统的结构特点设计合理的控制系统设计方案;
2).建立控制系统的数学模型,完成系统的控制结构框图;
3).完成控制系统的主副控制器的控制算法策略的选择(PID),并整定相应的控制参数;
4).完成系统的MATLAB仿真,验证控制算法的选择,并要求达到系统的控制要求,完成系统的理论的设计。
5).写出系统的PID算法控制程序等的软件程序代码(C语言或汇编语言)。
以THJ-2型过程控制实验对象测得的实验数据为:
上水箱直径为25cm,高度为20cm,当电动阀输出的开度为50时,得水泵流量为Q=min,水箱自平衡时的液位高度为,说明给定的频率阶跃信号适当,不会使系统动态特性的非线性因素增大,更不会引起系统输出出现超调量的情况,在开度为50时下水箱的液位随时间变化值如下表:
T/min
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
H/cm
0
T/min
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
H/cm
下水箱直径为35cm,高度为20cm,当电动阀开度为40时,得水泵流量为Q=min,水箱自平衡时的液位高度为,同样说明给定的频率阶跃信号适当,在开度为40时时上水箱的液位随时间变化值如下表:
T/min
0
H/cm
0
T/min
H/cm
T/min
H/cm
Simulink仿真如下:
2.基于数字控制的双闭环直流电机调速系统设计
要求:
完成双闭环的直流电机调速系统的微机控制设计,超调量<30%,调节时间<,稳态无静差。
1)分析控制的结构特点设计合理的控制系统的控制方案;
2)选择合适的检测与执行元件和控制器,完成控制系统的硬件结构设计;
3)建立系统的各控制参数的数学模型;
4)分别完成转速和电流控制系统的控制算法的选择和参数的整定,完成系统设计;
5)完成系统的MATLAB仿真,验证控制算法的选择,并要求达到系统的控制要求,完成系统的理论的设计。
设直流电机
,
,
,
,电枢电阻
,V-M系统的主电路总电阻
,电枢电路的电磁时间常数
,机电时间常数
,测速反馈系数
系统的电流反馈系数
,触发整流装置的放大系数Ks=30,三相平均失控时间Ts=,电流滤波时间常数Toi=,转速环滤波时间常数Ton=。
Simulink仿真如下:
四、心得体会
通过为期三天的课程设计,我有如下几点感想:
首先,通过这次课程设计让我熟悉并掌握了MATLAB软件的使用方法,而且通过频繁地使用MATLAB对传递函数、零极点、状态空间表达方法和串联、并联、反馈后得到的系统模型进行仿真,通过MATLAB绘制Bode图、Nyquist图,对系统稳定性进行判定等,复习了从《MATLAB与控制系统仿真实践》中学到的知识,并加深了对其的理解与运用。
其次,通过对微分先行控制、smith预估控制、大林算法控制进行调试仿真,明白了它们之间的区别,加深了对微分先行控制、smith预估控制、大林算法控制的理解。
最后,通过这次课程设计将理论知识与实际相结合,大大的加强了我的实际动手能力,让我知其然也知其所以然。
而且,在实验的过程中遇到困难时,通过查资料问同学最后终于完成设计,感觉自己收获很多,既巩固了从课本中所学的知识,又拓展了视野,还加强了自学能力,为以后的发展大下了良好的基础。
五、参考文献
1MATLAB与控制系统仿真实践第二版北京航空航天大学出版社
2微机计算机控制技术第二版清华大学出版社
3电力拖动自动控制系统........运动控制系统第四版机械工业出版社
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 自动控制 原理 系统 仿真 课程设计