自动控制原理及系统仿真课程设计.doc

自动控制原理及系统仿真课程设计 目录一、设计要求………………………………………………….2二、设计报告的要求………………………………………….2三、题目及要求……………………………………………….2一）自动控制仿真训练……………………………………….2二）控制方法训练…………………………………………….71. 微分先行控制………………………………………………72. Smith预估控制…………………………………………….83. 大林算法控制………………………………………………9三）控制系统的设计………………………………………….101. 双容水箱串级控制系统的设计…………………………..102. 基于数字控制的双闭环直流电机调速系统设计………..12四、心得体会…………………………………………………15一、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；②在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型第一部分 num=[1]den=[3 1]G=tf(num,den)[E F]=zero(G)[A B C D]=tf2ss(num,den)第二部分 num=[2]den=[3 1 0]G=tf(num,den)[E F]=zero(G)[A B C D]=tf2ss(num,den)第三部分 num1=[1]den1=[3 1]G1=tf(num1,den1)num2=[2]den2=[3 1 0]G2=tf(num2,den2)G3=G1*G2G4=G1+G22、系统的传递函数模型为，判断系统的稳定性num=[1 7 24 24]den=[1 10 35 50 24]G=tf(num,den)p=eig(G)p1=pole(G)r=roots(den)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。

num=1den=conv([1 2.73 0],[1 2 2])rlocus(num,den)axis([-8 8 -8 8])figure(2)r=rlocus(num,den);plot(r,'-')axis([-8 8 -8 8])gtext('x')gtext('x')gtext('x')Simulink仿真结果如下：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s=tf('s')G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1))figure(1)bode(G)gridfigure(2)nyquist(G)gridaxis([-2 2 -5 5])Simulink仿真结果如下：Bode图Nyquist图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num1=[4]den1=[1 2 3 4]G1=tf(num1,den1)num2=[1 -3]den2=[1 3]G2=tf(num2,den2)num3=[1]den3=[0.01 1]G3=tf(num3,den3)G=G1*G2G0=feedback(G,G3)step(G0)[y,t]=step(G0)plot(t,y)figure(2)step(G)[y,t]=step(G)plot(t,y)Simulink仿真结果如下：开环系统的阶跃响应曲线闭环系统的阶跃响应曲线二）控制方法训练1、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。

思路分析：为了避免给定值的升降给控制系统带来冲击，如超调量过大，调节阀动作剧烈，可采用微分先行PID控制方案微分先行PID控制和标准的PID控制的不同之处在于，只对被控量y(t)微分，不对偏差e(t)微分，也就是说对给定值r(t)无微分作用 Simulink仿真如下图： 2、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 思路分析：与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分这个补偿环节称为预估器，其传递函数为,Ʈ为纯滞后时间由施密斯预估器和控制器D(s)组成的补偿回路称为纯滞后补偿器 PID控制器参数：Kp=1.8 Ki=0.68 Kd=1.4 Simulink仿真如下图： 3、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中进行验证思路分析：大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Φ（s）相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象Gc(s)的纯滞后时间Ʈ相同。

Simulink仿真结果如下：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=4.3186L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.894cm,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/min0123456789H/cm00.674.765.967.638.308.839.399.8310.05T/min10111213141516171819H/cm10.1610.4010.5010.6310.7210.7610.8310.8910.8910.89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=2.6064L/min,水箱自平衡时的液位高度为10.838cm,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/min00.371.372.373.374.375.376.377.37H/cm01.172.163.163.835.175.305.836.50T/min8.379.3710.3711.3712.3713.3714.3715.3716.37H/cm7.037.547.838.368.509.039.179.509.76T/min17.3718.3719.3720.3721.3722.3723.3724.3725.37H/cm9.8310.1010.3610.5010.8410.8410.8410.8410.84思路分析：双容水箱串级控制系统的设计目标是根据串级控制来实现的。

其控制结构简单，控制参数易于整定，控制目的是使水箱液位保持恒定首先通过控制上水箱的液位，再控制下水箱的液位，这样就基本可以控制双容水箱的液位了所以可以令上水箱的液位为副对象，下水箱的液位为主对象，从而构成串级控制结构 Simulink仿真结果如下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<0.5s，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=0.00167s，电流滤波时间常数Toi=0.002s，转速环滤波时间常数Ton=0.01s。

思路分析：双闭环的直流电机调速系统的设计目标是根据串级控制来实现的采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，我们所需要的就是选择ASR和ACR两个调节器的pi参数电流环转速环P2.02711.7I67.5671.3448在工程设计时，首先根据典型I型系统或II型系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，修正好最恰当的参数，直到得到满意的结果 Simulink仿真结果如下四、心得体会经过这次的自动控制原理及系统仿真课程设计，加强了我对自动控制的理解，并且对matlab的仿真更加熟悉通过之前对自动控制原理的学习，加上这次对这些理论知识的应用及仿真，使我自身的知识架构有所提高通过这次课程设计，我对matlab的基本使用更加深刻，比如求传函，极点，状态空间等等并且使我掌握了三种控制方法，包括：微分先行控制，smith预估控制，大林算。