交通運(yùn)輸自動控制原理課程設(shè)計(jì)報告

1、交通運(yùn)輸自動控制原理課程設(shè)計(jì)報告目 錄1自動控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì) 11.1 系統(tǒng)建模題目111.1.1 基本構(gòu)成及機(jī)理分析 , 21.1.2 反饋控制結(jié)構(gòu)模型及工作原理 22自動控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析 72.1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目1 72.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟 72.1.2 實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依 據(jù) 72.1.3 結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分 析 , , 72.2 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2 82.3系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目3 8附錄A程序源代碼 40附錄B 4244 參考文獻(xiàn)1自動控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)1系統(tǒng)建模題目1 1.運(yùn)用自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及反饋控制原理對查閱控制系 統(tǒng)的相關(guān)專業(yè)資料，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

2、明系統(tǒng)的工作原理。（ATO-Automatic系統(tǒng)即列車自動駕駛子系統(tǒng) ATO我們選擇 系統(tǒng)進(jìn)行研究。ATOATOcontrol , ATC）重要的子系統(tǒng)。TrainOperation）。是列 車控制系統(tǒng)（automatic train限制ATP系統(tǒng)能代替司機(jī)駕駛列車，使列車平穩(wěn)地加速到運(yùn)行速度，并根據(jù)接 收到的到站停車速度曲線自動調(diào)整列車速度，實(shí)現(xiàn)列車牽引加速、勻速惰行、速度命令和ATO系統(tǒng)的功能分為基本控制功能和服務(wù)功 ATO減速制動控制和精確 停車等基本駕駛功能。能?；究刂乒δ馨ǎ鹤詣玉{駛、自動折返、自動控制 車門、屏蔽門開閉。這三個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

3、括：故障自診斷、運(yùn)行信息記錄、PTI（列車位置、允許速度、巡航/惰行功能、 列車識別系統(tǒng)）支持功能。中自動駕駛（即自動調(diào)整列車速度）的功能，研究ATO 在這里我們主要分析其自動控制的結(jié)構(gòu)模型。1.1.1基本構(gòu)成及機(jī)理分析 速度控制器和PID由運(yùn)行等級模式曲線計(jì)算模塊、ATO系統(tǒng)的速度調(diào)整系統(tǒng)構(gòu)成：受控對象（列車運(yùn)行模型）共同組成。運(yùn)行等 級模式曲線的計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前區(qū)間情況速度控制器根據(jù)選定的運(yùn)行等級，以該等級的運(yùn)行等離線計(jì)算運(yùn)行等級模式曲線，PID級模式的目標(biāo)速度一距離曲線為 目標(biāo)曲線，輸出速度信號施加給受控對象（列車運(yùn)行模，控制列車快速平穩(wěn)的跟隨給定的目標(biāo)速度曲線。型）其速度控制系統(tǒng)的框圖

4、如圖所示級等運(yùn)行 線模式曲 計(jì)算模塊PID控制器+受控對象 運(yùn)（列車行 模型）速度-1.速度PIDV受控對象控制器、proportion ） PIDATO上圖為控制系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)模型。PID速度控制器即（比 例（）積分（integration 微分（differentiation ）、積分單元（I）控制器，由 比例單元（P ）組成，傳遞函數(shù)為：和微分單元（D Kd三個參數(shù)常量通過系統(tǒng)整定 得到。KiKp、 受控對象即為列車模型，這里我們?nèi)×熊嚹Ｐ偷膫鬟f函數(shù)為：所以整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：通過相關(guān)參數(shù)整定方法，我們可以得知：工作原理：在求和單元，來自運(yùn)行等級模式曲線計(jì)算模塊的目標(biāo)速度信號和實(shí)際

5、 速這個控制器把收集到的實(shí)際速度信號和一個目號相加，度信共同輸入速度控制器，PID標(biāo)速度信號進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計(jì)算新的輸入值，這個新的 輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的信號達(dá)到或者保持在目標(biāo)速度。接著新的輸入信號傳遞到列車，通過相關(guān) 設(shè)備調(diào)整列車實(shí)際運(yùn)行速度，最后設(shè)備觀測的實(shí)際速度 信號又反饋回求和單元。的實(shí)際速度信號，（列車）由相關(guān)設(shè)備獲得被控對象整 個控制過程即反饋控制原理：PID通過控制器比較計(jì)算，輸出調(diào)整信號又作用于被控對象調(diào)整實(shí)際運(yùn)行速度。2.2自動控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析12. 1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目 軟件，對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。使用Matlab被控對象實(shí)際運(yùn)

6、行位置 位置目標(biāo)變量 列車或機(jī)動車（S）R（S）丫變量速度 1/（s+2）（s+8）1/sK1=5K2列車或機(jī)動車運(yùn)行（位置）自動控制系統(tǒng),仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。(BodeK )繪制=200時的開環(huán)對數(shù)頻率特性圖圖)(11 2 ()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。實(shí)驗(yàn)步驟2.1.1第一步：根據(jù)題目中的框圖圖求出其開環(huán)傳遞函數(shù)。(1)軟件畫出Bode圖。第二步：由求出來的開環(huán)傳遞函數(shù)運(yùn)用Matlab bode圖求解穩(wěn)定裕度。第三步：然后用Matlab對 第一步：由題求出其閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞 函數(shù)2 ()由開環(huán)傳遞函數(shù)畫出其閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖。第二步：運(yùn)用函數(shù)語

7、句rlocus(sys)第三步：分析根軌跡圖，討論系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.1.2 實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù) 由框圖計(jì)算系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：F(s)=1/(sA2+10*s+21)被控對象傳遞函數(shù)為： G(s)=k1* F(s)*1/s=200/(s*(sA2+10*s+21) k1=200 時系 統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：G= k1*1/(s*(sA2+10*s+21) 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為： 結(jié)論圖 表數(shù)據(jù)分析2.1.33.利用(1) matlab繪制開環(huán)對數(shù)頻率特性圖：BodeDiagram 5-5-10 -15-9-13-18-22-27-11111 Frequency (rad/s上圖為幅頻特性曲線圖，下圖為相頻

8、特性曲線圖 仿真分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度： matlab同時利用4.Bode DiagramGm = 0.424 dB (at 4.58 rad/s) ,Pm =1.29 deg (at 4.47rad/s) 500 )Bd( ed -50 utingaM -100-150 -90-135 )ged( -180 esahP -225 -270-101010 Frequency (rad/s)10111.29deg為，相角裕度為0.424dBPm幅值裕度由圖形可知，Gm系30-60deg.相角裕度所以該系統(tǒng)穩(wěn)定裕度較小，工程上推薦幅值裕度大于6dB,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

9、系統(tǒng)的振蕩也較激烈。語句繪制閉環(huán)系統(tǒng)根， 用 1/(s*(sA2+10*s+21) rlocus(sys)利用開環(huán)傳遞函數(shù)(2)K1=Gain.軌跡圖，在根軌跡圖上任意選擇軌跡上某點(diǎn)就可以得到對應(yīng)的參數(shù)5.Root LOCU 2 System: Gain: 79System:1 ole: 1.54 + 7.67Gain: 20Damping: -0.19ole: -0.00217 + 4.58Overshoot (%): 18Damping:0.00047 1 Frequency (rad/s): 7.8Overshoot (%): 99.Frequency (rad/s): 4.5Syste

10、m:Gain: -ole: System: Damping: -Gain: 20Overshoot (%):-1 System: ole: -0.00474 - 4.57Frequency (rad/s): Gain: 85Damping: 0.0010ole:1.63 - 7.85Overshoot (%): 99.- 1 Damping: -0.20Frequency (rad/s): 4.5Overshoot (%): 19Frequency (rad/s):8.0-21 -1 -1 -2-2-Real Axis (secondK1=209,0,209個極點(diǎn)，粗略估計(jì)分別當(dāng)由根軌跡圖我們

11、可以發(fā)現(xiàn)，在虛軸上有3后系統(tǒng)不穩(wěn)定。大于209209左右，當(dāng)K1一時取得。說明系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍在 K1 取 022系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2.。K=5.3司機(jī)駕駛汽車的模型如下圖所示，其中，求出系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度；)若反應(yīng)時間T=0,a (時，估 算系統(tǒng)的相角裕度；T=0.1s (b)當(dāng)，計(jì)算所需的反應(yīng)時間。00c ()為使系統(tǒng) 臨界穩(wěn)定(即相角裕度為)6.方向盤 +R(s)預(yù)期路線sT?e-100100100汽車K2sC(s) 橫向偏移,505050s0-50-900-5000-500預(yù)測器232?.8s0.s0?實(shí)驗(yàn)步驟2.2.1圖求閉環(huán)頻繪制開環(huán)bode)根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開

12、環(huán)傳遞函數(shù)；用(amatlab率特性、增益裕度、相角裕度。圖 Bodematlab (b)根據(jù)題目框圖求出系統(tǒng)開 環(huán)傳遞函數(shù)；并且用繪制出相應(yīng)的求出相角裕度。求出系統(tǒng)相角裕度的具體數(shù)值，令反應(yīng)時間為一系列連續(xù)取值，matlab (c)利用 編寫循環(huán)程序，找到相角 裕度為零時的反應(yīng)時間。2.2.2實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù)G=(5.3*(sA2+0.8*s+0.32)/(sA3)T=0 時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：G=5.3/(sA3+5.3*sA2+5.3*0.8*s+5.3*0.32) T=0 時系 統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G=exp( -0.1*s)*5.3*(sA2+0.8*s+0.32)/sA3 T=0.1 時

13、系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：G=exp(-t*s)*5.3*(sA2+0.8*s+0.32)/sA3開環(huán) 2.2.3結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析)系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度(a 7.Bode DiagramGm =-22.4 dB (at 0.566 rad/s) , Pm = 81.3 deg (at 5.3 rad/s) 150)Bd( edutingaM-135 )ged(-180 esahP -225 -270 21 -1-201010101010 Frequency (rad/s)81.3deg Pm ,相角裕度為Gm由圖可知幅值裕度為-22.4dB系統(tǒng)不穩(wěn)定時估算系統(tǒng)相角裕度T=0.1b (

14、)8.Bode DiagramGm = 9.14 dB (at 15.2 rad/s) , Pm = 51 deg (at 5.3 rad/s) 150)Bd( edutingaM-180 )ged(-360 esahP-540 -720 201-2-11010101010 Frequency (rad/s)Pm=51deg時估算系統(tǒng)相角裕度由上圖可知，當(dāng)T=0.1，計(jì)算所需的反應(yīng)時間。00) c ()為使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定(即相角裕度為之間，將 0.5到通過前期工作循環(huán) 迭代工作，大概確定滿足要求的最優(yōu)反應(yīng)時間在0.1 ,帶入程序求最優(yōu)值。步長取值范圍確定在 T0.1-0.50.0001 9.Bo

15、de DiagramGm =-0.00569 dB (at 5.3 rad/s),Pm = -0.00794 deg (at 5.3 rad/s) 150-360 )ge-720 d( es-1080 ahP-1440 -1800 21-2-101010101010 Frequency (rad/s)T=0.2677由循環(huán)程序求出臨界反應(yīng)時間為0,系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定。約等于此時系統(tǒng)Pm33系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目2.人們常用電子電路和計(jì)算機(jī)來控制汽車。下圖給出了一個汽車駕駛控制系統(tǒng)的例。子，其中，控制桿負(fù)責(zé)操縱車輪。假定司機(jī)的 反應(yīng)時間T=0.2s ;的取值，使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰 Bode圖確定增益KMp

16、不大 于2dB)用(a )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，請解釋原因；b ( c ()估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。10.Y(s)人的反應(yīng)時間 R(s) + sT?e車和前輪控制桿KSystem:Geak gain (dB): 2PAt frequency(rad/s): 3.14行駛方向)s?1s(0.12.3.1實(shí)驗(yàn)步驟值的大概范圍，然后在此范圍內(nèi)連續(xù)取一系列的)使用循環(huán)求解法。前期試湊出K (a K值，找出符合條件的最優(yōu) KK值。求出的取值范 圍。分別利用兩種公式求出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，比Mp與(b)取PmK=2 ,求出此時系統(tǒng)的 較差異，分析誤差原因。)利用系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函

17、數(shù)，求出系統(tǒng)帶寬?？?制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)包括帶寬和諧(c分貝所對應(yīng)的頻率，諧3圖中幅頻特性 曲線下降到一振峰值，帶寬指閉環(huán)系統(tǒng)的bode可以直接求出帶寬振峰值指幅頻 特性曲線圖中最大幅頻值。bandwidth(sys) 2.3.2實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算依據(jù) G=k*exp(-0.2*s)/(0.1*sA2+s+k*exp( -0.2*s)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)： G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*sA2+s+2*exp( -0.2*s)時閉環(huán)傳遞函數(shù)：t=2 系統(tǒng) G=2*exp( -0.2*s)/ (0.1*sA2+s)時開環(huán)傳遞函數(shù)：系統(tǒng)t=2結(jié)論圖表數(shù)據(jù)分析 2.3.3;不大于的取值，

18、使閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰圖確定增益)用(aBodeKMp2dB 11.Bode Diagram 200-20)Bd( ed-40utingaM-60-80 -100 3-10211010101010 Frequency (rad/s) 2 ,此時諧振峰值 為由循環(huán)程序得最優(yōu)K值為2.4780 ) 0, 2.4780K所以的取值范圍為(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，請解釋原因；b)根據(jù)(MpPm=3.0576deg ,由程序求出此時系統(tǒng)Mp=0.4837dB阻尼系數(shù)=由諧振峰值求得阻尼系數(shù)為：=由相角裕度求得阻尼系數(shù)為：誤差原因：(c)估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。設(shè) K=2o此時閉環(huán)系統(tǒng)

19、帶寬用bandwidth(sys)語句求出。 同時繪制bode圖，由圖形求帶寬，驗(yàn)證結(jié)果。12.rad/s)0由函數(shù)語句求出系統(tǒng)帶寬為(，4.2744 Bode Diagram 20System: Frequency (rad/s): 4.2Magnitude (dB):-3-20 )Bd( ed -40UtingaM -60-80-100 31-1021010101010Frequency (rad/s) 4.27rad/s對應(yīng)的頻率為帶寬頻率由閉環(huán)系統(tǒng)bode-3dB圖可知,幅值與函數(shù)求出的帶寬值符合程序源代碼附錄A程序源代碼：系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目1:1.Bode 圖繪制代碼 >>

20、 s=tf('s')> > G=200/(s*(sA2+10*s+21)> > bode(G)> > grid 13.:2.Bode圖穩(wěn)定裕度代碼>> s=tf('s')>> G=200/(s*(sA2+10*s+21)margin(G):根軌跡圖源代碼3.>> s=tf('s')G=1/(s*(sA2+10*s+21)rlocus(G)2系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)題目程序源代碼：T=0求閉環(huán)頻率響應(yīng)、增益裕度和相角裕度:1.>> s=tf('s');>&

21、gt; G=(5.3*(sA2+0.8*s+0.32)/(sA3);> > margin(G);求相角裕度：T=0.12.> > s=tf('s');> > G=exp( -0.1*s)*5.3*(sA2+0.8*s+0.32)/sA3;> > margin(G);3.系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，計(jì)算所需反應(yīng)時間：clc;clear;t=0.1:0.0001:0.5; %t 的取值范圍 s=tf('s');for i=1:4000G=exp(-t(i)*s)*5.3*(sA2+0.8*s+0.32)/sA3 % 傳遞函數(shù)Gm,Pm,Wcg,Wcp= margin(G);if 0<Pm<0.0001 % 相角裕度辨別 break14.endT=t