2022年自动控制原理及系统仿真课程设计方案.docx
精选学习资料 - - - - - - - - - 自动掌握原理及系统仿真课程设计姓 名：专 业：自 动化班 级： 10306203 学 号： 10306203 学 院：机械与电子工程系二零一三年十一月二十四日1 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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试验室,做到不迟到,不早退,因事要请假；严格遵守 试验室各项规章制度,试验期间保持试验室寂静,不得大声喧哗,不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话,如违规,就酌情扣分；3、课程设计是考查动手才能的基本平台,要求独立设计操作,指导老师只检查 运行结果,原就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,根据运行的要求给出操作分数；每个人均要全程参加设计,如有 结果,视为不合格；二、 Matlab 仿真及结果一）自动掌握仿真训练1.已知两个传递函数分别为：1/3时间不到或没有任何运行在 MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；传递函数、零极点、和状态空间法表示如下1.1传递函数程序代码：num=1 den=3 1 g=tfnum,den> 运行结果：num = 1 den = 3 1 g = 1 - 3 s + 1 Continuous-time transfer function. 2 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1.2零极点程序代码：Gtf=tf1,3 1>z,p,k=zpkdataGtf, 'v'>运行结果：z = Empty matrix: 0-by-1 p = -0.3333 k = 0.3333 1.3状态空间法程序代码：num=1 den=3 1 gtf=tfnum,den> gss=ssgtf>运行结果：gss = a = x1 x1 -0.3333 b = u1 x1 0.5 c = x1 y1 0.6667 d = u1 y1 0 Continuous-time state-space model. 3 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 传递函数、零极点、和状态空间法表示如下2.1传递函数程序代码：num=2 den=3 1 0 g=tfnum,den>运行结果：num = 2 den = 3 1 0 g = 2 - 3 s2 + s Continuous-time transfer function. 2.2零极点程序代码：Gtf=tf2,3 1 0>z,p,k=zpkdataGtf, 'v'>运行结果：z = Empty matrix: 0-by-1 p = 0 -0.3333 k = 0.6667 2.3状态空间法程序代码：num=2 den=3 1 0 gtf=tfnum,den> gss=ssgtf>4 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运行结果：gss = a = x1 x2 x1 -0.3333 0 x2 1 0 b = u1 x1 1 x2 0 c = x1 x2 y1 0 0.6667 d = u1 y1 0 Continuous-time state-space model. 在 MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型；1.反馈程序代码：num1=1；den1=3 1；num2=2；den2=3 1 0；G1=tfnum1,den1>；G2=tfnum2,den2>；Gf1=G1/1+G1*G2>运行结果：Gf1 = 9 s3 + 6 s2 + s - 27 s4 + 27 s3 + 9 s2 + 7 s + 2 Continuous-time transfer function. 5 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.串联程序代码：num1=1；den1=3 1；num2=2；den2=3 1 0；G1=tfnum1,den1>；G2=tfnum2,den2>；Gp=G1+G2运行结果：Gp = 3 s2 + 7 s + 2 - 9 s3 + 6 s2 + s Continuous-time transfer function.3.并联程序代码：num1=1；den1=3 1；num2=2；den2=3 1 0；G1=tfnum1,den1>；G2=tfnum2,den2>；Gs=G2*G1运行结果：Gs = 2 - 9 s3 + 6 s2 + s Continuous-time transfer function. 2.系统的传递函数模型为 性；程序代码：num=1 7 24 24；den=1 10 35 50 24G=tfnum,den> Gc=feedbackG,1>,判定系统的稳固num,den=tfdataGc,'v'>；6 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - r=rootsden>disp' 系统闭环极点 :'>；dispr>a=findrealr>>=0>；b=lengtha>；if b>0disp= ' 系统不稳固 .' >；else disp ' 系统稳固 .' >；end程序结果：Gc = s3 + 7 s2 + 24 s + 24 - s4 + 11 s3 + 42 s2 + 74 s + 48 Continuous-time transfer function. r = -5.5616 -2.0000 + 1.4142i -2.0000 - 1.4142i -1.4384 系统闭环极点 : -5.5616 -2.0000 + 1.4142i -2.0000 - 1.4142i -1.4384 系统稳固 .3.单位负反馈系统的开环传递函数为,绘制根轨迹图,并求出与实轴的分别点、与虚轴的交点及对应的增益；程序代码：num=1；den=conv1 2.73 0,1 2 2>；rlocusnum,den> 程序结果：7 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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；程序代码：s=tf's'>；G=5*10*s+1>/s*s2+0.2*s+1>*0.5*s+1>>stepfeedbackG,1>>；bodeG> grid gm,pm=marginG> figure2> nyquistG> 运行结果：G = 50 s + 5 - 0.5 s4 + 1.1 s3 + 0.7 s2 + s Continuous-time transfer function. Warning: The closed-loop system is unstable. > In warning at 26 8 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - In DynamicSystem.margin at 63 In NKST at 6 gm = 0.0093 pm = -65.0419 5考虑如下列图的反馈掌握系统的模型,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；程序代码：9 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - num1=4 ；den1=1 2 3 4；num2=1 -3；den2=1 3；G1=tfnum1,den1>G2=tfnum2,den2>；Gs=G1*G2 stepGs>运行结果：Gs = 4 s - 12 - s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12 程序代码：num1=4 ；den1=1 2 3 4；num2=1 -310 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - den2=1 3；G1=tfnum1,den1>；G2=tfnum2,den2>；Gs=G1*G2num3=1 ；den3=0.01,1；Hs=tfnum3,den3>G0=feedbackGs,Hs> stepG0> 运行结果：Gs = 4 s - 12 - s4 + 5 s3 + 9 s2 + 13 s + 12 Continuous-time transfer function. G0 = 0.04 s2 + 3.88 s - 12 - 0.01 s5 + 1.05 s4 + 5.09 s3 + 9.13 s2 + 17.12 s 11 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二）掌握方法训练1、微分先行掌握设掌握回路对象,分别采纳常规 PID和微分先行 PID掌握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；常规PID ：微分先行 PID 掌握：12 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2、Smith预估掌握设掌握回路对象,设计 Smith预估掌握器,分别采纳常规PID和Smith预估掌握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；常规PID ：13 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - Smith预估掌握3、大林算法掌握设被控对象传函,目标闭环传递函数,试设计大林掌握器,14 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 并在 Matlab中进行验证；三）掌握系统的设计1.双容水箱串级掌握系统的设计 要求：完成双容水箱掌握系统的性能指标：超调量 用下系统的性能较单闭环系统有较大的改进；<30%,调剂时间 <30s,扰动作1）. 分析掌握系统的结构特点设计合理的掌握系统设计方案；2）.建立掌握系统的数学模型,完成系统的掌握结构框图；3）.完成掌握系统的主副掌握器的掌握算法策略的挑选 制参数；PID>,并整定相应的控4）.完成系统的 MATLAB 仿真,验证掌握算法的挑选,并要求达到系统的掌握 要求,完成系统的理论的设计；5）.写出系统的 PID算法掌握程序等的软件程序代码<C语言或汇编语言）；以THJ-2型过程掌握试验对象测得的试验数据为：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, 水箱自平稳时 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显现超调量的情形,在开度为 50时下水 箱的液位随时间变化值如下表：T/mi0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 15 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - n H/cm 0 0.67 4.76 5.96 7.63 8.30 8.83 9.39 9.83 10.05 T/mi10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 n H/cm 10.110.410.510.610.710.710.810.810.810.86 0 0 3 2 6 3 9 9 9 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, 水箱自平稳时的液位高度为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/min 0 0.37 1.37 2.37 3.37 4.37 5.37 6.37 7.37 H/cm 0 1.17 2.16 3.16 3.83 5.17 5.30 5.83 6.50 T/min 8.37 9.37 10.37 11.37 12.37 13.37 14.37 15.37 16.37 H/cm 7.03 7.54 7.83 8.36 8.50 9.03 9.17 9.50 9.76 T/min 17.37 18.37 19.37 20.37 21.37 22.37 23.37 24.37 25.37 H/cm 9.83 10.10 10.36 10.50 10.84 10.84 10.84 10.84 10.84 16 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.基于数字掌握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掌握设计,超调量<30%,调剂时间<0.5s,稳态无静差；1）分析掌握的结构特点设计合理的掌握系统的掌握方案；2）挑选合适的检测与执行元件和掌握器,完成掌握系统的硬件结构设计；3）建立系统的各掌握参数的数学模型；4）分别完成转速和电流掌握系统的掌握算法的挑选和参数的整定,完成系统设 计；5）完成系统的 MATLAB 仿真,验证掌握算法的挑选,并要求达到系统的掌握 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；17 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 三、试验心得通过本次课程设计,对自动掌握原理的学问有了更详细的懂得 和直观的熟悉；通过三个设计,对于微机掌握的运算机仿真,让我 初步把握 Matlab 的基本应用并对其工作原理和输入输出情形进行分 析,将理论和实践联系在一起；在设计过程中,需要应用到的数电 等方面的学问,通过此次设计也让我将这些学问进行了复习；而通 过对参数进行设定和运算,提高了自身的运算才能和懂得才能；总之,通过课程设计,我有了许多收成；不但让自己的学问结 构更加合理,也让自己的学问面更加广泛；通过此次课程设计,我 熟悉到了自己的不足并作出了补偿,让自身得到了提高；18 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 18 页
