基于Matlab的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、 PAGE19 / NUMPAGES21自動控制原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：基于Matlab的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc311223670第一章課程設(shè)計(jì)容與要求分析 PAGEREF _Toc311223670 h 1HYPERLINK l _Toc3112236711.1設(shè)計(jì)容 PAGEREF _Toc311223671 h 1HYPERLINK l _Toc3112236721.2 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc311223672 h 1HYPERLINK l _Toc3112236731.3 Matlab軟件 PAGEREF _T

2、oc311223673 h 2HYPERLINK l _Toc3112236741.3.1基本功能 PAGEREF _Toc311223674 h 2HYPERLINK l _Toc3112236751.3.2應(yīng)用 PAGEREF _Toc311223675 h 3HYPERLINK l _Toc311223676第二章控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc311223676 h 4HYPERLINK l _Toc3112236772.1 校正裝置計(jì)算方法 PAGEREF _Toc311223677 h 4HYPERLINK l _Toc3112236782.2 課程設(shè)計(jì)要求計(jì)算 PAGE

3、REF _Toc311223678 h 4HYPERLINK l _Toc311223679第三章利用Matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析 PAGEREF _Toc311223679 h 6HYPERLINK l _Toc3112236803.1校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù) PAGEREF _Toc311223680 h 6HYPERLINK l _Toc3112236813.2用Matlab仿真 PAGEREF _Toc311223681 h 6HYPERLINK l _Toc3112236823.3利用Matlab/Simulink求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) PAGEREF _Toc311223682 h 10

4、HYPERLINK l _Toc3112236833.2.1原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) PAGEREF _Toc311223683 h 10HYPERLINK l _Toc3112236843.2.2校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) PAGEREF _Toc311223684 h 11HYPERLINK l _Toc3112236853.2.3校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較 PAGEREF _Toc311223685 h 12HYPERLINK l _Toc3112236863.4硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc311223686 h 13HYPERLINK l _Toc3112236873.4.1在計(jì)算機(jī)上

5、運(yùn)行出硬件仿真波形圖 PAGEREF _Toc311223687 h 14HYPERLINK l _Toc311223688課程設(shè)計(jì)心得體會 PAGEREF _Toc311223688 h 16HYPERLINK l _Toc311223689參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc311223689 h 18第一章 課程設(shè)計(jì)容與要求分析1.1設(shè)計(jì)容針對二階系統(tǒng)，利用有源串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)（如圖所示）進(jìn)行系統(tǒng)校正。當(dāng)開關(guān)S接通時(shí)為超前校正裝置，其傳遞函數(shù)，其中，“-”號表示反向輸入端。若Kc=1，且開關(guān)S斷開，該裝置相當(dāng)于一個(gè)放大系數(shù)為1的放大器（對原系統(tǒng)沒有校正作用）。R1+urucR0R2R3R4

6、CS1.2 設(shè)計(jì)要求1）引入該校正裝置后，單位斜坡輸入信號作用時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差，開環(huán)截止頻率c4.4弧度/秒，相位裕量45；2）根據(jù)性能指標(biāo)要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；3）利用對數(shù)坐標(biāo)紙手工繪制校正前、后與校正裝置對數(shù)頻率特性曲線；4）設(shè)校正裝置R1=100K，R2=R3=50K，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定有源超前校正網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)R4、C值；5）繪制引入校正裝置后系統(tǒng)電路圖（設(shè)給定的電阻和電容：R=100K，C=1F、10F若干個(gè)）；6）利用Matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后與校正裝置對數(shù)頻率特性曲線,并驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果；7）在Matlab-Simulink下建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系統(tǒng)單

7、位階躍響應(yīng)特性，并進(jìn)行系統(tǒng)性能比較；8）利用自動控制原理實(shí)驗(yàn)箱完成硬件設(shè)計(jì)過程，包括：搭建校正前后系統(tǒng)電路、輸入階躍信號并通過示波器觀察校正前后系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。1.3 Matlab軟件1.3.1基本功能MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以與交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以與非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以與必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今

8、國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成一樣的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大

9、的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。1.3.2應(yīng)用1、MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號計(jì)算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字信號處理技術(shù) 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真財(cái)務(wù)與金融工程 2、MATLAB在通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的應(yīng)用MATLAB 的應(yīng)用圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以與計(jì)算生物學(xué)等

10、眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域特定類型的問題。第二章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)2.1 校正裝置計(jì)算方法設(shè)超前校正裝置傳遞函數(shù)為：，rd1若校正后系統(tǒng)的截止頻率c=m，原系統(tǒng)在c處的對數(shù)幅值為L(c)，則：由此得：由，得時(shí)間常數(shù)T為：2.2 課程設(shè)計(jì)要求計(jì)算解答過程：對于型系統(tǒng)，得 故取 K=10。因此要求?。簞t有L)+10lg rd=0。即 20lg10-20lg-20lg+10lg rd=0 其相位欲度：。校正后傳遞函數(shù)：D=因此 C=第三章 利用Matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析3.1校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)設(shè)：原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

11、，校正裝置傳遞函數(shù)為，則校正后傳遞函數(shù)為3.2用Matlab仿真num=10;den=1,1,0;W=tf(num,den); %求原系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(s)bode(W); %繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性margin(W); %求原系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率Gm,Pm,wj,wc=margin(W);grid; %繪制網(wǎng)格線令a=1:進(jìn)行仿真，得到下圖：校正前系統(tǒng)伯德圖圖3-1 校正前系統(tǒng)伯德圖numc=b,1;denc=c,1;Wc=tf(numc,denc); %求校正裝置傳遞函數(shù)Wc(s)bode(Wc); %繪制校正裝置對數(shù)頻率特性 grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可

12、有可無）已知求得：b=1/2.412（0.46）,c=1/7.236。進(jìn)行仿真得下圖：系統(tǒng)校正裝置伯德圖。圖3-2 系統(tǒng)校正裝置伯德圖numh=conv(num,numc); denh=conv(den,denc);Wh=tf(numh,denh); %求校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(s)bode(Wh); %繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性margin(Wh); %求校正后系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率Gm,Pm,wj,wc=margin(Wh);grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無圖3-3 校正后系統(tǒng)伯德圖bode(W,:); %繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性hold on; %保留曲

13、線，以便在同一坐標(biāo)系繪制其他特性bode(Wc,-.); %繪制校正裝置對數(shù)頻率特性hold on; %保留曲線，以便在同一坐標(biāo)系繪制其他特性bode(Wh); %繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無）圖3-4 校正前、后校正裝置伯德圖3.3利用Matlab/Simulink求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)3.2.1原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)原系統(tǒng)仿真模型如圖3-5所示。圖3-5 校正前系統(tǒng)圖系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖3-6所示：圖3-6 校正前輸出階躍響應(yīng)曲線3.2.2校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)校正后系統(tǒng)仿真模型如圖3-7所示：圖3-7 矯正后系統(tǒng)圖系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖3

14、-8所示：圖3-8 校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形圖3.2.3校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較仿真模型如圖3-9所示：圖3-9 校正前、后系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖3-10所示：圖3-10 校正前、后系統(tǒng)輸出階躍響應(yīng)波形圖3.4硬件設(shè)計(jì)繪制硬件校正裝置原理圖：圖3-11 硬件校正裝置原理圖3.4.1在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行出硬件仿真波形圖未校正系統(tǒng)硬件波形：圖3-12 未校正系統(tǒng)硬件仿真波形圖校正后系統(tǒng)硬件波形：圖3-13 校正后系統(tǒng)硬件波形圖課程設(shè)計(jì)心得體會通過自動控制原理課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動手、思考和解決問題的能力。這個(gè)方案使用了Matlab軟件，使我們有掌握了一個(gè)軟件的應(yīng)用。我覺得做課程設(shè)

15、計(jì)同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)原理的功能，而且考試容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我們了解了很多原理的功能。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。認(rèn)識來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末的課程設(shè)計(jì)對我們的作用是非常大的。我想說，設(shè)計(jì)確實(shí)有些困難，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會能有實(shí)踐的機(jī)會。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計(jì)的工作有些枯燥，但我認(rèn)為無論干什么，只要認(rèn)真去做，一定會有好結(jié)果的。對我們而言，知

16、識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。雖然不是第一次做課程設(shè)計(jì)了，但是設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多專業(yè)知識問題，通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。同時(shí)，在老師的身上我們學(xué)也到很多實(shí)用的知識，在次我們表示感！同時(shí)，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感！此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思考解決問題，出現(xiàn)差錯(cuò)的隨機(jī)應(yīng)變。在此，感于老師的細(xì)心指導(dǎo)，也同樣其他各組同學(xué)的無私幫助！參考文獻(xiàn)胡壽松自動控制原理，第6版，科學(xué)，2013.3王正林、王勝開MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真，第3版，電子工業(yè)，201