自动控制原理仿真毕业设计.docx

1、自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验任务书（2012）一仿真实验内容及要求：1MATLAB软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB仿真集成环境Simulink的使用。2各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法 对教材P136.3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果； 对教材P136.3-9系统的动态性能及稳态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用； 在MATLAB环境下完成英文讲义P153.E

2、3.3。 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在时，试采用微分反馈使系统性能满足等设计指标。2）第四章 线性系统的根轨迹法 在MATLAB环境下完成英文讲义P157.E4.5； 利用MATLAB绘制教材P181.4-5-(3）； 在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题4-10或4-18，并对结果进行分析。3）第五章 线性系统的频域分析法利用MATLAB绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正 利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能。 对英文讲义中的循序渐进实例

3、“Disk Drive Read System”，试采用PD控制使系统的性能满足给定的设计指标。5）第七章 线性离散系统的分析与校正 利用MATLAB完成教材P383.7-20的最小拍系统设计及验证。 利用MATLAB完成教材P385.7-25的控制器的设计及验证。 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”进行验证，计算D(z)=4000时系统的动态性能指标，说明其原因。二仿真实验时间安排及相关事宜1依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师可随课程进度安排上机时间，学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时内完成仿真实验要求的内容；2实验完成后按规

4、定完成相关的仿真实验报告；3仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订。自动化系自动控制原理课程组第三章 线性系统的时域分析法对教材P136.3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果。对教材P136.3-9系统的动态性能及动态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用；在MATLAB环境下完成英文讲义P153.E3.3。对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在Ka=100时，试采用微分反馈使系统性能满足等设计指标。3-5单位反馈系统的开环传递函数为Gs=0.4s+1ss+0.6 ,试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。

5、解：(1)用SIMULINK仿真如下： 响应曲线如下图所示：分析：tp=3.1s ts=8s %=18%（2）忽略闭环零点的仿真如下：响应曲线如下图所示：分析： tp=3.3s ts=9.2s %=17%综合对比：注：实线是原系统的响应曲线，虚线是忽略闭环零点的响应曲线。分析：通过比较可以看出闭环零点对系统动态性能的影响为，峰值时间减少时，系统响应速度加快，超调量增大。这表明闭环零点会减少系统阻尼，也就是说增加零点相当于增加了系统阻尼比，系统响应时间和峰值时间变短，超调量增加。3-9. 设控制系统如下图所示：要求：（1）取1=0，2=0.1，计算测速反馈校正系统的超调量，调节时间和速度误差。（

6、2）取1=0.1，2=0，计算比例-微分校正系统的超调量，调节时间和速度误差。解：仿真如下首先对取1=0,2=0时的原系统进行仿真如下：用SIMULINK仿真图如下：响应曲线如下图：分析:ts=8.52s tp=1.04s %=61%（1）用SIMULINK仿真如下响应曲线如下图：分析：tp=1.02s ts=3.63s %=35%（2）用SIMULINK仿真如下响应曲线：分析：tp=0.99s ts=3.64s %=36%综合对比：响应曲线如下图所示：注：点画线表示原控制系统的响应曲线，实线表示测速反馈校正系统的响应曲线，虚线表示比例-微分校正系统的响应曲线。综合分析：从上图可以清楚的看到，

7、在加入后两种校正环节时，系统的调节时间大幅降低，超调量减小，能够改善系统的动态性能。比例微分控制器可以增加系统的阻尼比，使阶跃响应的超调量下降，调节时间减少，不影响稳态误差及系统的自然频率；测速反馈同样可以提高系统的阻尼比，改善系统的动态性能，但测速反馈会降低系统的开环增益，从而增大系统的误差。3-3. A closed-loop control system is shown in Fig3.2,1) Determine the transfer function C(s)/R(s).2) Determine the poles and zeros of the transferfuncti

8、on.3) Use a unit step input ，R（s）=1/s ,and obtain the partial fraction expansion for C(s) and The steady-state value .4) Plot c(t) and discuss the effect of the real and complex poles of the transfer function . Fig 3.2解：用SIMULINK仿真如下分析：系统稳态误差为ess=1。对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在时，试采用微分反馈使系统

9、性能满足等设计指标。解：用SIMULINK仿真如下 经多次试探的k1=0.038,k2=100时符合要求的情况之一。仿真结果如图所示：由图可得一定满足%5%,ts250ms,dss-pi ) w0=w0+0.01;endw=w0;k=sqrt(1+w2);G=tf(k,1,1,inputdelay,0.8);bode(G);grid频域特性曲线如下图所示：5-22. 对于典型二阶系统，已知参数n=3,=0.7,是确定截止频率c和相角裕度。解：编程如下clear allclcwn=3;keth=0.7; G=tf(wn2,conv(1,0,1,2*keth*wn);margin(G);grid频

10、域特性曲线如下图所示：第六章 线性系统的校正利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能。对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD控制使系统的性能满足给定的设计指标。6-1. 设有单位反馈的火炮指挥仪私服系统，其开环传递函数为：G0(s)=Ks(0.2s+1)(0.5s+1)若要求系统最大输出速度为12/s,输出位置的容许误差小于2，试求：（1） 确定满足上述指标的最小K值，计算该K值下的相角裕度和幅值裕度。（2） 在前向通道中串接超前校正网络G0(s)=0.4s+10.08s+1计算校正后

11、系统的相角裕度和幅值裕度，说明超前校正对系统动态性能的影响。解：编程如下clear allclcK=6;G0=tf(K,conv(0.2,1,0,0.5,1); Gc=tf(0.4,1,0.08,1); G=series(Gc,G0); G1=feedback(G0,1); G11=feedback(G,1); figure(1);margin(G0);gridfigure(2);margin(G);gridfigure(3);step(G1);gridfigure(4);step(G11);grid分析：由上图可以明显的看出采用超前校正装置后，减少了%，提高了系统的快速性，改善了系统的动态性

12、能，减少了调节时间。从而提高了系统的稳定性。6-15. 设复合控制系统如下图所示。图中Gn(s)为前馈补偿装置的传递函数，Gcs=Kts为测速发电机的传递函数，G1s和G2(s)为前向道路环节的传递函数，N(s)为可量测扰动。如果： G1s=K1 ,G2=1s2试确定Gns,GC(s)和K1,使系统输出量完全不受可量测扰动的影响，且单位阶跃响应的超调量%=25%，峰值时间tp=2s。 解：编程如下clear allclcK1=2.948;Kt=0.471;G1=K1;G2=tf(1,1,0,0); Gc=tf(Kt,0,1); G3=series(G1,G2);G4=feedback(G3,G

13、c);G=feedback(G4,1); step(G);grid 由图可得：tp=1.99s ts=5.89s %=25%。6-18. 设有前置滤波器的鲁棒控制系统如下图所示，其中被控对象G0s=10s+1(s+2)PID控制器G0(s)=K3s2+K1s+k2s(s)Gp(s)为前置滤波器。设计要求：(1) 当Ka=10,Kb=0时，设计Gc(s)和Gp(s)，使系统具有最小节拍响应，即系统在单位阶跃响应输入作用下ess()=0,%=2%,ts=1s(=2%)；(2) 若G0(s)的两个极点发生范围摄动，在最坏情况下，被控对象变为G0=10s+0.5(s+1)使用（1）中的设计结果，对系统

14、性能进行考核，以检验系统的鲁棒性。解：编程如下clear allclct=0:0.01:1;Ka=10;Kb=0;K1=4.16;K2=52.75;K3=1.24; G1=tf(20*K2,1,3+Kb+20*K3,2+20*Ka+Kb+20*K1,20*K2); step(G1,t);grid单位阶跃响应如下图所示：分析：此系统采用PID控制器与前置滤波器，使系统具有最小节拍响应，保证系统有良好的稳态性能和动态性能；仿真表明在参数变化情况下，系统的性能仍满足设计指标要求，具有良好的鲁棒性。实例“Disk Drive Read System”，试采用PD控制使的性能满足给定的设计指标%5%，t

15、s150ms.解：用SIMULINK仿真如下：分析：由图可得满足%=5%，ts G=zpk(,0,-1,1);Gd=c2d(G,1,zon);z=tf(1 0,1,1); G=zpk(,0 -1,1);Gd=c2d(G,1,zon);z=tf(1 0,1,1);phi1=1-1/z;phi=1/z;D=phi/(Gd*phi1);sys0=feedback(Gd,1);sys1=feedback(Gd*D,1);t=0:0.5:5;figure(1);step(sys0);grid;figure(2);step(sys0,b,sys1,r- );grid;分析：由上图可知，该离散系统为一拍系统

16、，无稳态误差和过渡过程。7-25. 设连续的、未经采样的控制系统如下图所示，其中被控对象为G0=1S(S+10)要求：（1） 设计滞后校正网络Gcs=KS+as+b(ab)使系统在单位阶跃输入时的超调量%30%，且在单位斜坡输入时的稳态误差ess0.01;（2） 若为该系统增配一套采样器和零阶保持器，并选采样周期T=0.1s,使采用GCsD(z)变换方法，设计合适的数字控制器D(z);（3） 分别画出（1）及（2）中连续系统离散系统的单位阶跃响应曲线，并比较两者的结果。（4） 另选采样周期T=0.01s,重新完成（2）和（3）的工作。（5） 对于（2）中得到的D(z),画出离散系统的单位斜坡响

17、应，并与连续系统的单位斜坡响应进行比较。解：编程如下T=0.1;sys1=tf(150,105,1,10.1,151,105);sys2=tf(0.568,-0.1221,-0.3795,1,-1.79,1.6,-0.743,T);step(sys1,sys2,4);grid; 分析：由图（单位阶跃响应曲线（T=0.1s）可见，%=31%，tp=0.28s,ts=1s(=2%);连续系统时；离散系统时，%=78%,tp=0.3s,ts=3.1s(=2%)。表明连续系统离散化后，若采样周期较大，则阶跃响应动态性能会恶化，且输出有波纹。G0=zpk(,0 -10,1)Gd=c2d(G0,0.01,

18、zoh)D=zpk(0.993,0.999,150,0.01)G=Gd*Dsysd=feedback(G,1);sys=tf(150,105,1,10.1,151,105);t=0:0.01:2;step(sys,-,sysd,:,t);grid;分析：由图（单位阶跃响应曲线（T=0.01s）可见，当采样周期较小时，实现表示的连续系统响应与虚线表示的离散系统响应比较接近，表明系统离散化后动态性能的损失较小。T=0.1;t=0:0.1:2;u=t;sys=tf(0.568,-0.1221,-0.3795,1,-1.79,1.6,-0.743,T)lsim(sys,u,t,0);grid;分析：由图（单位斜坡响应曲线）可见，离散系统的斜坡输出有波纹。对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”进行验证，计算D(z)=4000时系统的动态性能指标，说明其原因。解：用SIMULINK仿真如下该离散系统的响应曲线如下：分析：所以当Dz=4000时，%=0，ts=1s满足设计指标。