華電自動控制原理課程設(shè)計(jì)

1、華電自動控制原理課程設(shè)計(jì)華電自動控制原理課程設(shè)計(jì)科技學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告（2015- 2016年度第一學(xué)期）名稱：自動控制理論課程設(shè)計(jì)題目：基于自動控制理論的性能分析與校正院 系：班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)周數(shù)：1周成績：日期：2016年1月15日1、課程設(shè)計(jì)的目的與要求1、目的與要求 本課程為自動控制理論A»的課程設(shè)計(jì)，是課堂的深化。設(shè)置自動控制理論 A»課程設(shè)計(jì)的目的是使 MATLAB 成為學(xué)生的基本技能，熟悉MATLAB這一解決具體工程問題的標(biāo)準(zhǔn)軟件，能熟練地應(yīng)用MATLAB軟件解決控制理論中的復(fù)雜和工程實(shí)際問題，并給以后的模糊控制理論、最優(yōu) 控制理論和多變量

2、控制理論等奠定基礎(chǔ)。作為自動化專業(yè)的學(xué)生很有必要學(xué)會應(yīng)用這一強(qiáng)大的工 具，并掌握利用 MATLAB對控制理論內(nèi)容進(jìn)行分析和研究的技能，以達(dá)到加深對課堂上所講內(nèi)容理解的目的。通過使用這一軟件工具把學(xué)生從繁瑣枯燥的計(jì)算負(fù)擔(dān)中 解脫由來，而把更多的精力用到思考本質(zhì)問題和研究解決實(shí) 際生產(chǎn)問題上去。通過此次計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下的基本要求：1.能用MATLAB軟件分析復(fù)雜和實(shí)際的控制系統(tǒng)。2 .能用MATLAB軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指 標(biāo)要求。3 .能靈活應(yīng)用 MATLAB的CONTROL SYSTEM工具箱 和SIMULINK仿真軟件，分析系統(tǒng)的性能。2、主要內(nèi)容1.前期基礎(chǔ)知識，

3、主要包括 MATLAB系 統(tǒng)要素，MATLAB語言的變量與語句，MATLAB的矩陣和 矩陣元素，數(shù)值輸入與輸由格式，MATLAB系統(tǒng)工作空間信 息，以及MATLAB的在線幫助功能等。2 .控制系統(tǒng)模型，主要包括模型建立、模型變換、模型 簡化，Laplace變換等等。3 .控制系統(tǒng)的時域分析，主要包括系統(tǒng)的各種響應(yīng)、性 能指標(biāo)的獲取、零極點(diǎn)對系統(tǒng)性能的影響、高階系統(tǒng)的近似 研究，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析， 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的求取。4 .控制系統(tǒng)的根軌跡分析，主要包括多回路系統(tǒng)的根軌 跡、零度根軌跡、純遲延系統(tǒng)根軌跡和控制系統(tǒng)的根軌跡分 析。5 .控制系統(tǒng)的頻域分析，主要包括系統(tǒng)Bode圖、Nyqu

4、ist圖、穩(wěn)定性判據(jù)和系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。6 .控制系統(tǒng)的校正，主要包括根軌跡法超前校正、頻域 法超前校正、頻域法滯后校正以及校正前后的性能分析。3、進(jìn)度計(jì)劃 序號 設(shè)計(jì)內(nèi)容 完成時間 備注1基礎(chǔ)知 識、數(shù)學(xué)模型 2016年1月11日2時域分析法、頻域分析 2016年1月12日3根軌跡分析、系統(tǒng)校正2016年1月13 日4整理打印課程設(shè)計(jì)報(bào)告2016年1月14日5答辯2016年1月15日4、設(shè)計(jì)成果要求 上機(jī)用MATLAB編程 解題，從教材或參考書中選題，控制系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)的 時域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡分析法、控制系統(tǒng)的頻域分 析法每章選擇兩道題。第六章校正選四道，其中根軌跡超前校正一道、根

5、軌跡滯 后校正一道、頻域法超前校正一道、頻域法滯后校正一道。并針對上機(jī)情況打印課程設(shè)計(jì)報(bào)告。課程設(shè)計(jì)報(bào)告包括題目、解題過程及程序清單和最后的 運(yùn)行結(jié)果（曲線），課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論以及參考文獻(xiàn)。5、考核方式 自動控制理論課程設(shè)計(jì)的成績評定方 法如下：根據(jù)1.打印的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2 .獨(dú)立工作能力及設(shè)計(jì)過程的表現(xiàn)。3 .答辯時回答問題的情況。成績評分為優(yōu)、良、中、及格以及不及格5等。學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2016年1月15日二、設(shè)計(jì)正文 2-1.已知系統(tǒng)的傳遞函 數(shù)為，在MATLAB環(huán)境下獲得其連續(xù)傳遞函數(shù)形式模型。已知系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為，在MATLAB環(huán)境下獲得其采樣時間為4s的傳遞函數(shù)形勢模型

6、。解：num=102;den=10.1;G1=tf(num,den);Ts=4;G2=e);text(20.5,0, s ); grid on; l=length(y); 3-2.已知閉環(huán)系統(tǒng)特征方程如下，判定系統(tǒng)穩(wěn)定性及根的分布情況。(1)s3+20s2+9s+100=0(2)s3+20s2+9s+200=0s4+2s3+8s2+4s+3=0 (4)s5+12s4+44s3+48s2+5s+1=0 解： (1)d=1 20 9 100; r=roots(d) r=-19.8005 + 0.0000i -0.0997 + 2.2451i -0.0997 - 2.2451i三個根都分布在左半平面

7、，系統(tǒng)穩(wěn) 定(2) d=1 20 9 200; r=roots(d) r=-20.0487 + 0.0000i 0.0243 + 3.1583i 0.0243 - 3.1583i三個根分布在右半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定(3) d=1 2 8 4 3; r=roots(d) r=-0.7555 + 2.5001i -0.7555 - 2.5001i -0.2445 + 0.6165i -0.2445 - 0.6165i 四個根分布在左 半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定(4) d=2 12 44 48 5 1; r=roots(d) r=-2.2201 + 3.1603i -2.2201 - 3.1603i -1.468

8、0 + 0.0000i -0.0459 + 0.1440i -0.0459 - 0.1440i五個根分布在左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定4-1.已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試?yán)L制K由0- + f化的閉環(huán)根軌跡。解：num=conv(1 5,2 8);den1=conv(2 1,2 1);den2=conv(1 0,1 0); den=conv(den1,den2);rlocus(num,den) 4-2,已知單位 負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 繪制K由0- + 5變化的根軌 跡。解：num=26;den1=43;den2=10;den=conv(den1,den2);rlocus(num,den) 5

9、-1,已知系統(tǒng)的傳遞函 數(shù)為繪制系統(tǒng)的伯德圖，并求相位裕量。解：den=0,243; Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(4,den);bode(4,den);s=num2str(4);gtext(s); pause; hold on 5-2.已知系 統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，試?yán)L制系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻率特性曲線。解：num=100200;den=conv(10,conv(11,120);nyquist(num,den) 6-1.根軌跡超前已知系統(tǒng)和傳遞函數(shù) 為，比例參數(shù)的取值范圍是0到8,要求系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)為(y%c 20% ts w 10設(shè)計(jì)一個串聯(lián)校正裝置解：den1=conv(1 0,11

10、);den=conv(den1,0,81); num=1;G=tf(num,den); rltool(G);校正前階躍響應(yīng)曲線 den=conv(1 1 0,0,8 1); num=1;G=tf(num,den);G1=feedback(G,1);step(G1)校正后根軌跡校正后階躍響應(yīng)曲線6-2.根軌跡滯后已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)，采用單位負(fù)反饋，系統(tǒng)的動態(tài)性能已經(jīng)滿足 要求，現(xiàn)在求系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)不小于9o解：校正前 根軌跡 den1=conv(1 1 0,13); num=3;G=tf(num,den); rltool(G);校正前階躍響應(yīng)den=conv(1 10,13); num=3;G

11、=tf(num,den);G1=feedback(G,1);step(G1)校正后根軌跡校正后階躍響應(yīng)曲線6-3.頻率超前已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為設(shè)計(jì)串聯(lián)超前校正裝置，使系統(tǒng)指標(biāo)滿足單位斜坡輸入信號時穩(wěn)態(tài)誤差ess w 0.1%相位裕度 隹45°,穿越頻率 3m150rad/s解：繪制校正前 Bode 圖 num=1000; den=conv(0.1 1 0,0.001 1); margin(num,den)校正前補(bǔ)償角/ =45 - 0 +7 = 52 °校正參數(shù) a a=(1+sin(*pi/180 )/(1 -sin(*pi/180 )=8.43;令 3m

12、=160; T=1/(sqrt(a)*3 m ) T =0.0022 nc=8.43*T 1; dc=T 1;n=conv(num,nc); d=conv(den,dc); margin(n,d)校正前后的階 躍 響 應(yīng) 曲 線 n1,d1=feedback(num,den,1,1); n2,d2=feedback(n,d,1,1); G1=tf(n1,d1); G2=tf(n2,d2); figure(1) step(G1, k ) figure(2) step(G2, r ) 6-4.頻率滯后 已知單位負(fù)反 饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，設(shè)計(jì)校正裝置使校正后的系統(tǒng)相 位裕量 隹40°,在Kt)=t時，ess三 解：繪制校正前 Bode 圖 num=30;den=conv(1 0,conv(0.1 1,0.21); figure(1) margin(num,den) grid on a=11.1 T=3.7; nc=T 1;dc=a*T 1; n=conv(num,nc); d=conv(den,dc); figure(2) margin(n,d) grid on 校正前后階躍曲線如下 t1=0:0.1:5;G1=tf(num,den);G11=feedbac