自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p>　　自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)要求………………………………………………….2</p><p>　　二、設(shè)計(jì)報(bào)告的要求………………………………………….2</p><p>　　三、題目及要求……………………………………………….2

2、</p><p>　　一）自動(dòng)控制仿真訓(xùn)練……………………………………….2</p><p>　　二）控制方法訓(xùn)練…………………………………………….7</p><p>　　微分先行控制………………………………………………7</p><p>　　Smith預(yù)估控制…………………………………………….8</p><p>

3、　　大林算法控制………………………………………………9</p><p>　　三）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………….10</p><p>　　雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………..10</p><p>　　基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)………..12</p><p>　　四、心得體會(huì)…………………………………

4、………………15</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　完成給定題目中，要求完成題目的仿真調(diào)試，給出仿真程序和圖形。</p><p>　　自覺(jué)按規(guī)定時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，做到不遲到，不早退，因事要請(qǐng)假。嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)規(guī)章制度，實(shí)驗(yàn)期間保持實(shí)驗(yàn)室安靜，不得大聲喧嘩，不得圍坐在一起談與課程設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)的空話，若違規(guī)，則酌情

5、扣分。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)是考查動(dòng)手能力的基本平臺(tái)，要求獨(dú)立設(shè)計(jì)操作，指導(dǎo)老師只檢查運(yùn)行結(jié)果，原則上不對(duì)中途故障進(jìn)行排查。</p><p>　　加大考查力度，每個(gè)時(shí)間段均進(jìn)行考勤，計(jì)入考勤分?jǐn)?shù)，按照運(yùn)行的要求給出操作分?jǐn)?shù)。每個(gè)人均要全程參與設(shè)計(jì)，若有1/3時(shí)間不到或沒(méi)有任何運(yùn)行結(jié)果，視為不合格。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)報(bào)告的要求&l

6、t;/b></p><p><b>　　1、理論分析與設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2、題目的仿真調(diào)試，包括源程序和仿真圖形。</p><p>　　3、設(shè)計(jì)中的心得體會(huì)及建議。</p><p><b>　　三、題目及要求</b></p><p>　　一）自動(dòng)控制仿真

7、訓(xùn)練</p><p>　　1、已知兩個(gè)傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　?、僭贛ATLAB中分別用傳遞函數(shù)、零極點(diǎn)、和狀態(tài)空間法表示；</p><p>　?、谠贛ATLAB中分別求出通過(guò)反饋、串聯(lián)、并聯(lián)后得到的系統(tǒng)模型。</p><p>　　第一部分 num=[1]</p><p><b>　　den=[

8、3 1]</b></p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　[E F]=zero(G)</p><p>　　[A B C D]=tf2ss(num,den)</p><p>　　第二部分 num=[2]</p><p>　　den=[3 1 0]</p><

9、p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　[E F]=zero(G)</p><p>　　[A B C D]=tf2ss(num,den)</p><p>　　第三部分 num1=[1]</p><p>　　den1=[3 1]</p><p>　　G1=tf(num1,den1)</p&

10、gt;<p><b>　　num2=[2]</b></p><p>　　den2=[3 1 0]</p><p>　　G2=tf(num2,den2)</p><p><b>　　G3=G1*G2</b></p><p><b>　　G4=G1+G2</b><

11、;/p><p>　　2、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　num=[1 7 24 24]</p><p>　　den=[1 10 35 50 24]</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p><b>　　p=eig(G)</b></p>

12、<p>　　p1=pole(G)</p><p>　　r=roots(den)</p><p>　　3、單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制根軌跡圖，并求出與實(shí)軸的分離點(diǎn)、與虛軸的交點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的增益。</p><p><b>　　num=1</b></p><p>　　den=conv([1 2.73 0],[1

13、 2 2])</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p>　　axis([-8 8 -8 8])</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　r=rlocus(num,den);</p><p>　　plot(r,'-')&l

14、t;/p><p>　　axis([-8 8 -8 8])</p><p>　　gtext('x')</p><p>　　gtext('x')</p><p>　　gtext('x')</p><p>　　Simulink仿真結(jié)果如下：</p><p>

15、　　4、已知系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist,并能夠求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。</p><p><b>　　s=tf('s')</b></p><p>　　G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1))</p><p><b>　　figure(1)<

16、;/b></p><p><b>　　bode(G)</b></p><p><b>　　grid</b></p><p><b>　　figure(2)</b></p><p>　　nyquist(G)</p><p><b>　　gr

17、id</b></p><p>　　axis([-2 2 -5 5])</p><p>　　Simulink仿真結(jié)果如下：</p><p><b>　　Bode圖</b></p><p><b>　　Nyquist圖</b></p><p>　　5、考慮如圖所示的反

18、饋控制系統(tǒng)的模型，各個(gè)模塊為</p><p>　　，，，用MATLAB語(yǔ)句分別得出開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。</p><p><b>　　num1=[4]</b></p><p>　　den1=[1 2 3 4]</p><p>　　G1=tf(num1,den1)</p><p>　　num

19、2=[1 -3]</p><p>　　den2=[1 3]</p><p>　　G2=tf(num2,den2)</p><p><b>　　num3=[1]</b></p><p>　　den3=[0.01 1]</p><p>　　G3=tf(num3,den3)</p><

20、;p><b>　　G=G1*G2</b></p><p>　　G0=feedback(G,G3)</p><p><b>　　step(G0)</b></p><p>　　[y,t]=step(G0)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p&g

21、t;<p><b>　　figure(2)</b></p><p><b>　　step(G)</b></p><p>　　[y,t]=step(G)</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p>　　Simulink仿真結(jié)果如下：<

22、;/p><p>　　開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　二）控制方法訓(xùn)練</b></p><p><b>　　1、微分先行控制</b></p><p>　　設(shè)控制回路對(duì)象，分別采用常規(guī)PID和微分先行PID控制后系統(tǒng)輸出

23、的響應(yīng)曲線，比較改進(jìn)后的算法對(duì)系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p>　　思路分析：為了避免給定值的升降給控制系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，如超調(diào)量過(guò)大，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作劇烈，可采用微分先行PID控制方案。微分先行PID控制和標(biāo)準(zhǔn)的PID控制的不同之處在于，只對(duì)被控量y(t)微分，不對(duì)偏差e(t)微分，也就是說(shuō)對(duì)給定值r(t)無(wú)微分作用。</p><p>　　Simulink仿真如下圖： <

24、;/p><p>　　2、Smith預(yù)估控制</p><p>　　設(shè)控制回路對(duì)象，設(shè)計(jì)Smith預(yù)估控制器，分別采用常規(guī)PID和Smith預(yù)估控制后系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，比較改進(jìn)后的算法對(duì)系統(tǒng)滯后改善的作用。</p><p>　　思路分析：與D(s)并接一補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來(lái)補(bǔ)償被控制對(duì)象中的純滯后部分。這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)稱為預(yù)估器，其傳遞函數(shù)為,?為純滯后時(shí)間。由施密斯預(yù)估器和控制器

25、D(s)組成的補(bǔ)償回路稱為純滯后補(bǔ)償器。</p><p>　　PID控制器參數(shù)：Kp=1.8 Ki=0.68 Kd=1.4</p><p>　　Simulink仿真如下圖： </p><p><b>　　3、大林算法控制</b></p><p>　　設(shè)被控對(duì)象傳函，目標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)，試設(shè)計(jì)大林控制器，并在M

26、atlab中進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　思路分析：大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)Φ（s）相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，并期望整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間和被控對(duì)象Gc(s)的純滯后時(shí)間?相同。</p><p>　　Simulink仿真結(jié)果如下：</p><p><b>　　三）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p&g

27、t;<p>　　1、雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　要求：完成雙容水箱控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)：超調(diào)量<30%,調(diào)節(jié)時(shí)間<30s,擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的性能較單閉環(huán)系統(tǒng)有較大的改進(jìn)。</p><p>　　1）、分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　2）、建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，完成系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖；&

28、lt;/p><p>　　3）、完成控制系統(tǒng)的主副控制器的控制算法策略的選擇(PID)，并整定相應(yīng)的控制參數(shù)；</p><p>　　4）、完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗(yàn)證控制算法的選擇，并要求達(dá)到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設(shè)計(jì)。</p><p>　　5）、寫出系統(tǒng)的PID算法控制程序等的軟件程序代碼（C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）。</p><p>　　

29、以THJ-2型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：上水箱直徑為25cm，高度為20cm,當(dāng)電動(dòng)閥輸出的開(kāi)度為50時(shí)，得水泵流量為Q=4.3186L/min,水箱自平衡時(shí)的液位高度為10.894cm,說(shuō)明給定的頻率階躍信號(hào)適當(dāng)，不會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非線性因素增大，更不會(huì)引起系統(tǒng)輸出出現(xiàn)超調(diào)量的情況，在開(kāi)度為50時(shí)下水箱的液位隨時(shí)間變化值如下表：</p><p>　　下水箱直徑為35cm，高度為20cm,當(dāng)電動(dòng)閥開(kāi)度為

30、40時(shí)， 得水泵流量為Q=2.6064L/min,水箱自平衡時(shí)的液位高度為10.838cm,同樣說(shuō)明給定的頻率階躍信號(hào)適當(dāng)，在開(kāi)度為40時(shí)時(shí)上水箱的液位隨時(shí)間變化值如下表：</p><p>　　思路分析：雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)串級(jí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)易于整定，控制目的是使水箱液位保持恒定。首先通過(guò)控制上水箱的液位，再控制下水箱的液位，這樣就基本可以控制雙容水箱的液位了。所以可以令上

31、水箱的液位為副對(duì)象，下水箱的液位為主對(duì)象，從而構(gòu)成串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。</p><p>　　Simulink仿真結(jié)果如下</p><p>　　2、基于數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　要求：完成雙閉環(huán)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的微機(jī)控制設(shè)計(jì)，超調(diào)量<30%，調(diào)節(jié)時(shí)間<0.5s，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。</p><p>　　分析控制的

32、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)的控制方案；</p><p>　　選擇合適的檢測(cè)與執(zhí)行元件和控制器，完成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p>　　建立系統(tǒng)的各控制參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　分別完成轉(zhuǎn)速和電流控制系統(tǒng)的控制算法的選擇和參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>　　完成系統(tǒng)的MATLAB仿真，驗(yàn)證控制算法的選擇，并要求

33、達(dá)到系統(tǒng)的控制要求，完成系統(tǒng)的理論的設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)直流電機(jī)，，，，電樞電阻，V-M系統(tǒng)的主電路總電阻，電樞電路的電磁時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，測(cè)速反饋系數(shù),系統(tǒng)的電流反饋系數(shù)，觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks=30，三相平均失控時(shí)間Ts=0.00167s，電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s。</p><p>　　思路分析：雙閉環(huán)的直流電機(jī)調(diào)速

34、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)串級(jí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，我們所需要的就是選擇ASR和ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器的pi參數(shù)。</p><p>　　在工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)典型I型系統(tǒng)或II型系統(tǒng)的方法計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，修正好最恰當(dāng)?shù)膮?shù)，直到得到滿意的結(jié)果。</p><p>　　Simulink仿真結(jié)果如下</p>&

35、lt;p><b>　　四、心得體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這次的自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)自動(dòng)控制的理解，并且對(duì)matlab的仿真更加熟悉。通過(guò)之前對(duì)自動(dòng)控制原理的學(xué)習(xí)，加上這次對(duì)這些理論知識(shí)的應(yīng)用及仿真，使我自身的知識(shí)架構(gòu)有所提高。</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)matlab的基本使用更加深刻，比如求傳函，極點(diǎn)，狀態(tài)空間等

36、等。并且使我掌握了三種控制方法，包括：微分先行控制，smith預(yù)估控制，大林算法控制。并且可以對(duì)比出它們之間各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下面我就自己心得對(duì)這三種方法對(duì)比下：</p><p>　　1、微分先行控制的優(yōu)點(diǎn)是可以避免給定值的升降對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它與標(biāo)準(zhǔn)的pid控制的區(qū)別就是，只對(duì)被控量微分，不對(duì)偏差微分。所以它的缺點(diǎn)就是對(duì)偏差控制能力太大。</p><p>　　2、s

37、mith預(yù)估控制的優(yōu)點(diǎn)是可以消除純滯后部分對(duì)控制系統(tǒng)對(duì)的影響，并且使用時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是模擬儀表不能實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，只能在微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3、大林算法控制的優(yōu)點(diǎn)是使控制系統(tǒng)不允許產(chǎn)生超調(diào)并且系統(tǒng)穩(wěn)定。缺點(diǎn)就是計(jì)算D(Z)比較麻煩，并且易產(chǎn)生誤差。</p><p>　　經(jīng)過(guò)這么多的仿真結(jié)果，使我更懂得了控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)今后使用這些方法更加便捷，希望在今后的

38、學(xué)習(xí)和工作里我可以更加熟悉的使用自動(dòng)控制方法和matlab。</p><p>　　在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分，提升了我的分析問(wèn)題能力和解決問(wèn)題的能力。比如：在做雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，一開(kāi)始很迷茫，因?yàn)榭吹筋}目時(shí)不知道怎么下手。不過(guò)在老師和同學(xué)的幫助指導(dǎo)下，我漸漸理出了頭緒。開(kāi)始慢慢的對(duì)系統(tǒng)分析，選擇好控制方法的前提下，結(jié)合分析得結(jié)論，最后將系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，心里挺高興的。</p><p>　

39、　在最后，我要感謝我的指導(dǎo)老師，因?yàn)樵谡n程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，出現(xiàn)很多問(wèn)題時(shí)都是在老師的幫助下解決的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，不僅加強(qiáng)了我對(duì)matlab仿真能力，而且使我對(duì)控制方法有了更深刻的認(rèn)識(shí)，最重要的是，使我在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力方面也大有提高。不過(guò)，經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我也看到了自身的一些不足，比如對(duì)理論知識(shí)理解的不過(guò)徹底。在今后的學(xué)習(xí)和工作中我會(huì)吸取這些教訓(xùn)，注重提高自身能力，并且更加用功的學(xué)習(xí)自動(dòng)控制方法和應(yīng)用。</p>