自动控制原理及系统仿真课程设计

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1、 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

2、。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：在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；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=1den=3 1G=tf

3、(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)第二部分 num=2den=3 1 0G=tf(num,den)E F=zero(G)A B C D=tf2ss(num,den)第三部分 num1=1den1=3 1G1=tf(num1,den1)num2=2den2=3 1 0G2=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 24den=1 10 35 50 24G=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

4、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*(s2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)figure(1)bode(G)grid

5、figure(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=4den1=1 2 3 4G1=tf(num1,den1)num2=1 -3den2=1 3G2=tf(num2,den2)num3=1den3=0.01 1G3=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)p

6、lot(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Sm

7、ith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,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（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

8、(s)的纯滞后时间相同。 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

9、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

10、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/min17.3718.3719.3720.37

11、21.3722.3723.3724.3725.37H/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。

12、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.

13、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，

14、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，大林算法控制。并且可以对比出它们之间各自的优缺点。下面我就自己心得对这三种方法对比下：1、微分先行控制的优点是可以避免给定值的升降对控制系统产生冲击，从而提高系统的稳定性。它与标准的pid控制的区别就是，只对被控量微分，不对偏差微分。所以它的缺点就是对偏差控制能力太大。2、smith预估控制的优点是可以消除纯滞后部分对控制系统对的影响，并且使用时不会影响系统的稳定性。缺点是模拟仪表不能实现这种补偿，只能在微型计算机

15、实现。3、大林算法控制的优点是使控制系统不允许产生超调并且系统稳定。缺点就是计算D(Z)比较麻烦，并且易产生误差。经过这么多的仿真结果，使我更懂得了控制方法的优缺点，对今后使用这些方法更加便捷，希望在今后的学习和工作里我可以更加熟悉的使用自动控制方法和matlab。在控制系统的设计部分，提升了我的分析问题能力和解决问题的能力。比如：在做双容水箱串级控制系统的设计时，一开始很迷茫，因为看到题目时不知道怎么下手。不过在老师和同学的帮助指导下，我渐渐理出了头绪。开始慢慢的对系统分析，选择好控制方法的前提下，结合分析得结论，最后将系统设计完成，心里挺高兴的。在最后，我要感谢我的指导老师，因为在课程设计的过程中，出现很多问题时都是在老师的帮助下解决的。通过这次课程设计，不仅加强了我对matlab仿真能力，而且使我对控制方法有了更深刻的认识，最重要的是，使我在发现问题以及解决问题的能力方面也大有提高。不过，经过这次课程设计我也看到了自身的一些不足，比如对理论知识理解的不过彻底。在今后的学习和工作中我会吸取这些教训，注重提高自身能力，并且更加用功的学习自动控制方法和应用。15