交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　《交通運(yùn)輸自動(dòng)控制原理》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　二〇一四年五月二十二日</p><p>　本組組員</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p><b>　　目 錄 </b></p><

2、;p>　　1 自動(dòng)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)1</p><p>　　1.1系統(tǒng)建模題目11</p><p>　　1.1.1基本構(gòu)成及機(jī)理分析2</p><p>　　1.1.2反饋控制結(jié)構(gòu)模型及工作原理2</p><p>　　2 自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析7</p><p>　　2.1系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目17<

3、;/p><p>　　2.1.1實(shí)驗(yàn)步驟7</p><p>　　2.1.2實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)7</p><p>　　2.1.2結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析7</p><p>　　2.2系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目28</p><p>　　2.3系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目38</p><p>　　附錄A 程序源代碼40<

4、;/p><p><b>　　附錄B 42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p>　　自動(dòng)控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)</p><p><b>　　系統(tǒng)建模題目1</b></p><p>　　查閱控制系統(tǒng)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)資料，運(yùn)用自動(dòng)控

5、制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及反饋控制原理對(duì)通控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理分析，建立其反饋控制結(jié)構(gòu)模型，闡明系統(tǒng)的工作原理。</p><p>　　我們選擇ATO系統(tǒng)進(jìn)行研究。ATO系統(tǒng)即列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)(ATO-Automatic TrainOperation)。是列車(chē)控制系統(tǒng)(automatic train control，ATC)重要的子系統(tǒng)。ATO系統(tǒng)能代替司機(jī)駕駛列車(chē)，使列車(chē)平穩(wěn)地加速到運(yùn)行速度，并根據(jù)接收到的ATP限制速度命

6、令和ATO到站停車(chē)速度曲線自動(dòng)調(diào)整列車(chē)速度，實(shí)現(xiàn)列車(chē)牽引加速、勻速惰行、減速制動(dòng)控制和精確停車(chē)等基本駕駛功能。ATO系統(tǒng)的功能分為基本控制功能和服務(wù)功能?；究刂乒δ馨ǎ鹤詣?dòng)駕駛、自動(dòng)折返、自動(dòng)控制車(chē)門(mén)、屏蔽門(mén)開(kāi)閉。這三個(gè)基本控制功能相互之間獨(dú)立地運(yùn)行。服務(wù)及其他功能包括：故障自診斷、運(yùn)行信息記錄、列車(chē)位置、允許速度、巡航/惰行功能、PTI(列車(chē)識(shí)別系統(tǒng))支持功能。 在這里我們主要分析ATO中自動(dòng)駕駛（即自動(dòng)調(diào)整列車(chē)速度）的功

7、能，研究其自動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)模型。 </p><p>　　1.1.1 基本構(gòu)成及機(jī)理分析</p><p>　　ATO系統(tǒng)的速度調(diào)整系統(tǒng)構(gòu)成：由運(yùn)行等級(jí)模式曲線計(jì)算模塊、PID速度控制器和受控對(duì)象（列車(chē)運(yùn)行模型）共同組成。運(yùn)行等級(jí)模式曲線的計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前區(qū)間情況離線計(jì)算運(yùn)行等級(jí)模式曲線，PID速度控制器根據(jù)選定的運(yùn)行等級(jí)，以該等級(jí)的運(yùn)行等級(jí)模式的目標(biāo)速度一距離曲線為目標(biāo)曲線，輸出速度信號(hào)施加

8、給受控對(duì)象（列車(chē)運(yùn)行模型），控制列車(chē)快速平穩(wěn)的跟隨給定的目標(biāo)速度曲線。</p><p>　　其速度控制系統(tǒng)的框圖如圖所示。</p><p>　　1.1.2 反饋控制結(jié)構(gòu)模型及工作原理</p><p>　　上圖為ATO控制系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)模型。PID速度控制器即PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）

9、）控制器，由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，傳遞函數(shù)為：</p><p>　　Kp 、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)常量通過(guò)系統(tǒng)整定得到。</p><p>　　受控對(duì)象即為列車(chē)模型，這里我們?nèi)×熊?chē)模型的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　所以整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　通過(guò)相關(guān)參數(shù)整定方法，我們可以得知：</p

10、><p>　　工作原理：在求和單元，來(lái)自運(yùn)行等級(jí)模式曲線計(jì)算模塊的目標(biāo)速度信號(hào)和實(shí)際速度信號(hào)相加，共同輸入PID速度控制器，這個(gè)控制器把收集到的實(shí)際速度信號(hào)和一個(gè)目標(biāo)速度信號(hào)進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的信號(hào)達(dá)到或者保持在目標(biāo)速度。接著新的輸入信號(hào)傳遞到列車(chē)，通過(guò)相關(guān)設(shè)備調(diào)整列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度，最后設(shè)備觀測(cè)的實(shí)際速度信號(hào)又反饋回求和單元。</p><p

11、>　　整個(gè)控制過(guò)程即反饋控制原理：由相關(guān)設(shè)備獲得被控對(duì)象（列車(chē)）的實(shí)際速度信號(hào)，通過(guò)PID控制器比較計(jì)算，輸出調(diào)整信號(hào)又作用于被控對(duì)象調(diào)整實(shí)際運(yùn)行速度。</p><p>　　自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　2．1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目1</p><p>　　使用Matlab軟件，對(duì)下圖所示交通控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。</p>

12、<p>　?。?）繪制K1=200時(shí)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖(Bode圖)，仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。</p><p>　?。?）繪制關(guān)于參數(shù)K1的閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖，仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟</p><p>　　(1) 第一步：根據(jù)題目中的框圖圖求出其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。 </p><p>

13、;　　第二步：由求出來(lái)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)運(yùn)用Matlab軟件畫(huà)出Bode圖。第三步：然后用Matlab對(duì)bode圖求解穩(wěn)定裕度。</p><p>　?。?） 第一步：由題求出其閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)第二步：運(yùn)用函數(shù)語(yǔ)句rlocus(sys)由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)畫(huà)出其閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖。第三步：分析根軌跡圖，討論系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)</b

14、></p><p>　　由框圖計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p>　　被控對(duì)象傳遞函數(shù)為：F(s)=1/(s^2+10*s+21)</p><p>　　k1=200時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=k1* F(s)*1/s=200/(s*(s^2+10*s+21))</p><p>　　系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：G= k1*1/(s*(s^

15、2+10*s+21))</p><p><b>　　結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　(1)利用matlab繪制開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖：</p><p>　　上圖為幅頻特性曲線圖，下圖為相頻特性曲線圖</p><p>　　同時(shí)利用matlab仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度：</p><p>　

16、　由圖形可知, 幅值裕度Gm為0.424dB，相角裕度Pm為1.29deg</p><p>　　工程上推薦幅值裕度大于6dB，相角裕度30-60deg.所以該系統(tǒng)穩(wěn)定裕度較小，系統(tǒng)已經(jīng)瀕臨不穩(wěn)定，系統(tǒng)的靈敏性和快速性較強(qiáng)，同時(shí)系統(tǒng)的振蕩也較激烈。</p><p>　　(2) 利用開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)1/(s*(s^2+10*s+21))，用rlocus(sys)語(yǔ)句繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡圖，在根軌跡圖

17、上任意選擇軌跡上某點(diǎn)就可以得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)K1=Gain.</p><p>　　由根軌跡圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在虛軸上有3個(gè)極點(diǎn)，粗略估計(jì)分別當(dāng)K1=209,0,209時(shí)取得。說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍在K1取0—209左右 ，當(dāng)K1大于209后系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　2．2 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2</p><p>　　司機(jī)駕駛汽車(chē)的模型如下圖所示，其中，K=5.3。&

18、lt;/p><p>　?。╝）若反應(yīng)時(shí)間T=0,求出系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度；</p><p>　?。╞）當(dāng)T=0.1s時(shí)，估算系統(tǒng)的相角裕度；</p><p>　　（c）為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定（即相角裕度為00），計(jì)算所需的反應(yīng)時(shí)間。</p><p>　　2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟</p><p>　?。╝）根據(jù)題

19、目框圖求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；用matlab繪制開(kāi)環(huán)bode圖求閉環(huán)頻率特性、增益裕度、相角裕度。</p><p>　?。╞）根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；并且用matlab繪制出相應(yīng)的Bode圖求出相角裕度。</p><p>　　（c）利用matlab求出系統(tǒng)相角裕度的具體數(shù)值，令反應(yīng)時(shí)間為一系列連續(xù)取值，編寫(xiě)循環(huán)程序，找到相角裕度為零時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。</p><p&

20、gt;　　2.2.2 實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)</p><p>　　T=0時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G=(5.3*(s^2+0.8*s+0.32))/(s^3)</p><p>　　T=0時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=5.3/(s^3+5.3*s^2+5.3*0.8*s+5.3*0.32)</p><p>　　T=0.1時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G=exp(-0.1*s)*5.3*(s^

21、2+0.8*s+0.32)/s^3</p><p>　　開(kāi)環(huán)G=exp(-t*s)*5.3*(s^2+0.8*s+0.32)/s^3</p><p>　　2.2.3 結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析</p><p>　　（a）系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度</p><p>　　由圖可知幅值裕度Gm為-22.4dB，相角裕度Pm為81.3deg&l

22、t;/p><p><b>　　系統(tǒng)不穩(wěn)定。</b></p><p>　?。╞）T=0.1時(shí)估算系統(tǒng)相角裕度</p><p>　　由上圖可知，當(dāng)T=0.1時(shí)估算系統(tǒng)相角裕度Pm=51deg</p><p>　?。╟）為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定（即相角裕度為00），計(jì)算所需的反應(yīng)時(shí)間。</p><p>　　通過(guò)前期

23、工作循環(huán)迭代工作，大概確定滿足要求的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間在0.1到0.5之間，將T值范圍確定在0.1-0.5步長(zhǎng)取0.0001，帶入程序求最優(yōu)值。</p><p>　　由循環(huán)程序求出臨界反應(yīng)時(shí)間為T(mén)=0.2677</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)Pm約等于0，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定。</p><p>　　2．3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目3</p><p>　　人

24、們常用電子電路和計(jì)算機(jī)來(lái)控制汽車(chē)。下圖給出了一個(gè)汽車(chē)駕駛控制系統(tǒng)的例子，其中，控制桿負(fù)責(zé)操縱車(chē)輪。假定司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間T=0.2s。</p><p>　　（a）用Bode圖確定增益K的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰Mp不大于2dB； </p><p>　　（b）根據(jù)Mp或相角裕度分別估計(jì)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，若所得結(jié)果不同，請(qǐng)解釋原因；</p><p>　　（c）估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的帶

25、寬。</p><p>　　2.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟</p><p>　?。╝）使用循環(huán)求解法。前期試湊出K值的大概范圍，然后在此范圍內(nèi)連續(xù)取一系列的K值，找出符合條件的最優(yōu)K值。求出K的取值范圍。 </p><p>　　（b）取K=2，求出此時(shí)系統(tǒng)的Mp與Pm分別利用兩種公式求出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，比較差異，分析誤差原因。</p><p>　?。?/p>

26、c）利用系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，求出系統(tǒng)帶寬。控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)包括帶寬和諧振峰值，帶寬指閉環(huán)系統(tǒng)的bode圖中幅頻特性曲線下降到－3分貝所對(duì)應(yīng)的頻率，諧振峰值指幅頻特性曲線圖中最大幅頻值。bandwidth(sys)可以直接求出帶寬</p><p>　　2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)</p><p>　　系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=k*exp(-0.2*s)/(0.1*s^2+s+k*

27、exp(-0.2*s))</p><p>　　系統(tǒng)t=2時(shí)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s^2+s+2*exp(-0.2*s))</p><p>　　系統(tǒng)t=2時(shí)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s^2+s)</p><p>　　2.3.3 結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析</p><p>　　（a）用B

28、ode圖確定增益K的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰Mp不大于2dB；</p><p>　　由循環(huán)程序得最優(yōu)K值為2.4780，此時(shí)諧振峰值為2</p><p>　　所以K的取值范圍為（0，2.4780）</p><p>　?。╞）根據(jù)Mp或相角裕度分別估計(jì)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，若所得結(jié)果不同，請(qǐng)解釋原因；</p><p>　　由程序求出此時(shí)系統(tǒng)Mp=0.

29、4837dB，Pm = 3.0576deg</p><p><b>　　阻尼系數(shù)</b></p><p>　　由諧振峰值求得阻尼系數(shù)為：=</p><p>　　由相角裕度求得阻尼系數(shù)為：=</p><p><b>　　誤差原因：</b></p><p>　?。╟）估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)

30、的帶寬。設(shè)K=2。此時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)帶寬用bandwidth(sys)語(yǔ)句求出。</p><p>　　同時(shí)繪制bode圖，由圖形求帶寬，驗(yàn)證結(jié)果。</p><p>　　由函數(shù)語(yǔ)句求出系統(tǒng)帶寬為（0，4.2744）rad/s</p><p>　　由閉環(huán)系統(tǒng)bode圖可知，幅值-3dB對(duì)應(yīng)的頻率為帶寬頻率4.27rad/s</p><p>　　與函數(shù)求

31、出的帶寬值符合</p><p>　　附錄A 程序源代碼</p><p>　　系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目1程序源代碼：</p><p>　　1.Bode圖繪制代碼:</p><p>　　>> s=tf('s')</p><p>　　>> G=200/(s*(s^2+10*s+21))<

32、;/p><p>　　>> bode(G)</p><p><b>　　>> grid</b></p><p>　　2.Bode圖穩(wěn)定裕度代碼:</p><p>　　>> s=tf('s')</p><p>　　>> G=200/(s*(s

33、^2+10*s+21))</p><p><b>　　margin(G)</b></p><p>　　3.根軌跡圖源代碼:</p><p>　　>> s=tf('s')</p><p>　　G=1/(s*(s^2+10*s+21))</p><p><b>　

34、　rlocus(G)</b></p><p>　　系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2程序源代碼：</p><p>　　T=0求閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度：</p><p>　　>> s=tf('s');</p><p>　　>> G=(5.3*(s^2+0.8*s+0.32))/(s^3);</

35、p><p>　　>> margin(G);</p><p>　　T=0.1求相角裕度：</p><p>　　>> s=tf('s');</p><p>　　>> G=exp(-0.1*s)*5.3*(s^2+0.8*s+0.32)/s^3;</p><p>　　>

36、> margin(G);</p><p>　　系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，計(jì)算所需反應(yīng)時(shí)間：</p><p><b>　　clc;</b></p><p><b>　　clear;</b></p><p>　　t=0.1:0.0001:0.5; %t的取值范圍</p><p>　　s

37、=tf('s');</p><p>　　for i=1:4000</p><p>　　G=exp(-t(i)*s)*5.3*(s^2+0.8*s+0.32)/s^3 %傳遞函數(shù)</p><p>　　[Gm,Pm,Wcg,Wcp] = margin(G);</p><p>　　if 0<Pm<0.0001 %相角裕度

38、辨別</p><p><b>　　break</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　T=t(i); %最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間</p><p><b>　　end</b></p><p>　　margin(G); %畫(huà)出bode圖&

39、lt;/p><p>　　系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目3程序源代碼：</p><p>　　確定增益K的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰Mp不大于2dB：</p><p><b>　　clear</b></p><p><b>　　clc</b></p><p>　　k=2:0.0001:3; %k的取

40、值范圍</p><p>　　s=tf('s');</p><p>　　for i=1:10000</p><p>　　G=k(i)*exp(-0.2*s)/(0.1*s^2+s+k(i)*exp(-0.2*s)); %系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　[m,p,w,]=bode(G);</p><p&g

41、t;　　mr=max(m);</p><p>　　lwr=20*log10(mr); %將諧振峰值換算單位</p><p>　　if lwr>=2; %諧振峰判斷條件</p><p><b>　　break</b></p><p><b>　　end</b></p><p&

42、gt;　　K=k(i); %最優(yōu)K值</p><p><b>　　end</b></p><p>　　bode(G) %畫(huà)出bode圖</p><p>　　2. 求K=2時(shí) 閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值</p><p>　　>> s=tf('s');</p><p>　　>

43、> G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s^2+s+2*exp(-0.2*s));</p><p>　　>> [m,p,w,]=bode(G);</p><p>　　mr=max(m);</p><p>　　Mp=20*log10(mr); </p><p><b>　　>> Mp</b&g

44、t;</p><p>　　求K=2時(shí) 閉環(huán)系統(tǒng)諧振相角裕度</p><p>　　>> s=tf('s');</p><p>　　>> G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s^2+s);</p><p>　　>> [Pm] = margin(G);</p><p&g

45、t;<b>　　>> Pm</b></p><p>　　3.求K=2時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)帶寬：</p><p>　　>> s=tf('s');</p><p>　　G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s^2+s+2*exp(-0.2*s));</p><p>　　bandwidth(G