控制系統(tǒng)仿真與CAD課程設(shè)計報告

限制系統(tǒng)仿真和CAD課程設(shè)計學(xué)院：物流工程學(xué)院專業(yè)：測控技術(shù)和儀器班級：測控102姓名：楊紅霞學(xué)號：201010233037指導(dǎo)老師：蘭瑩完成日期：201

目的和任務(wù)協(xié)作《限制系統(tǒng)仿真和CAD》課程的理論教學(xué)，通過課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生駕馭當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言的基本學(xué)問，學(xué)會運用MATLAB語言進行限制系統(tǒng)仿真和協(xié)助設(shè)計的基本技能，有效地提高學(xué)生試驗動手實力。一、基本要求：1、利用MATLAB供應(yīng)的基本工具，敏捷地編制和開發(fā)程序，開創(chuàng)新的應(yīng)用；2、嫻熟地駕馭各種模型之間的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的時域、頻域分析及根軌跡繪制；3、嫻熟運用SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真；4、駕馭PID限制器參數(shù)的設(shè)計。二、設(shè)計要求1、編制相應(yīng)的程序，并繪制相應(yīng)的曲線；2、對設(shè)計結(jié)果進行分析；3、撰寫和打印設(shè)計報告（包括程序、結(jié)果分析、仿真結(jié)構(gòu)框圖、結(jié)果曲線）。三、設(shè)計課題設(shè)計一：二階彈簧—阻尼系統(tǒng)的PID限制器設(shè)計及其參數(shù)整定考慮彈簧－阻尼系統(tǒng)如圖1所示，其被控對象為二階環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)G(S)如下，參數(shù)為M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F(xiàn)（S）=1。設(shè)計要求：限制器為P限制器時，變更比例系數(shù)大小，分析其對系統(tǒng)性能的影響并繪制相應(yīng)曲線。限制器為PI限制器時，變更積分時間常數(shù)大小，分析其對系統(tǒng)性能的影響并繪制相應(yīng)曲線。(例如當(dāng)kp=50時，變更積分時間常數(shù))設(shè)計PID限制器，選定合適的限制器參數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量σ%<20%，過渡過程時間Ts<2s,并繪制相應(yīng)曲線。圖1彈簧－阻尼系統(tǒng)示意圖彈簧－阻尼系統(tǒng)的微分方程和傳遞函數(shù)為：圖2閉環(huán)限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖附：P限制器的傳遞函數(shù)為：PI限制器的傳遞函數(shù)為：PID限制器的傳遞函數(shù)為：(一)設(shè)計P限制器，變更比例系數(shù)大小，分析其對系統(tǒng)性能的影響并繪制相應(yīng)曲線。以下為所做的設(shè)計以及運行結(jié)果，KP取了不同的值，通過運用sim函數(shù)進行仿真，并得出超調(diào)量MP，過渡過程時間Ts的大小，通過分析所得出的結(jié)果，多次變更KP的大小直到符合題目的要求，使穩(wěn)態(tài)誤差等都達(dá)到要求。仿真運行程序forKp=[200,400,800]t=[0:0.01:6];[t,x,y]=sim('yhx',6);holdonplot(t,y);N=length(t);yss=y(N);%yss：穩(wěn)態(tài)值holdon[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,%計算超調(diào)量mpi=N;whileabs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i),%計算過渡過程時間gtext(num2str(Kp));end仿真框圖仿真運行結(jié)果變更比例系數(shù)kp大小,得如下結(jié)果，通過以下數(shù)據(jù)以及得出的曲線可分析其對系統(tǒng)性能的影響Kp=200mp=75.3359Ts=3.7962Kp=400mp=84.7526Ts=3.8317Kp=800mp=88.0528Ts=4.5685仿真運行曲線5、運行結(jié)果分析依據(jù)試驗要求設(shè)計了一個P限制器，和Gs等構(gòu)成閉環(huán)限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由以上的運行結(jié)果以及曲線可以看出隨Kp增大，超調(diào)量mp是漸漸變大的，Ti也是漸漸變大的，而且總是達(dá)不到穩(wěn)態(tài)誤差很小很小，因此得出以下結(jié)論：隨著Kp值的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量變大，調(diào)整時間變長，振蕩次數(shù)也增多了。Kp值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越小，調(diào)整應(yīng)精度越高，但是系統(tǒng)的波動明顯變多了，穩(wěn)定性變差，但是系統(tǒng)響應(yīng)變快了。隨著比例系數(shù)女kp的增大并不能消退穩(wěn)態(tài)誤差，只能減小穩(wěn)態(tài)誤差。(二)設(shè)計PI限制器，變更積分時間常數(shù)大小，分析其對系統(tǒng)性能的影響并繪制相應(yīng)曲線。以下為設(shè)計出的仿真程序等，運用sim函數(shù)進行仿真，編寫程序使KP=50，變更KI的大小，來進行分析，直到符合題目的要求，使運行出的結(jié)果穩(wěn)態(tài)誤差基本很小即可，假如達(dá)不到，就要重新設(shè)定KI的大小，進行多次試驗，選出如下符合要求的KI的值，程序中都有所體現(xiàn)。仿真運行程序forKi=[30,50,80]t=[0:0.01:10];[t,x,y]=sim('yhxx',10);holdonplot(t,y);N=length(t);%yss：穩(wěn)態(tài)值yss=y(N);holdon[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,%計算超調(diào)量mpi=N;whileabs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i),%計算過渡過程時間end仿真框圖3、仿真運行結(jié)果當(dāng)Kp=50時,變更積分時間常數(shù)ki的大小，由以下的結(jié)果以及曲線可分析其對系統(tǒng)性能的影響ki=30mp=21.4633Ts=6.5686Ki=50mp=26.7424Ts=5.1127Ki=80mp=31.0229Ts=7.33754、仿真運行曲線：5、運行結(jié)果分析Kp=50時，隨著ki值的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量變大，系統(tǒng)響應(yīng)時間出現(xiàn)了波動。ki越大，積分速度越快，積分作用就越強，響應(yīng)時間變快，但系統(tǒng)振蕩次數(shù)就較多。PI限制可以消退系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的誤差度。在積分限制中，限制器的輸出和輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了消退穩(wěn)態(tài)誤差，在限制器中必需引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動限制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)限制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后基本無穩(wěn)態(tài)誤差。這是比上一個只有比例限制器的一個進步的地方。(三)設(shè)計一PID限制器，選定合適的限制器參數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量σ%<20%，過渡過程時間Ts<2s,并繪制相應(yīng)曲線。以下為所設(shè)計的程序，仿真等，變更kp,ki,kd的值得出閉環(huán)階躍響應(yīng)的超調(diào)量和過渡過程時間，通過多次試驗，得到的kp取20,ki取65，kd取9時運行出的結(jié)果是滿意題目要求的：1、仿真運行程序[t,x,y]=sim('yhxxx');plot(t,y);N=length(t);yss=y(N);%yss：穩(wěn)態(tài)值[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,%計算超調(diào)量mpi=N;whileabs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i),%計算過渡過程時間2、仿真框圖3、仿真運行結(jié)果經(jīng)過多次試驗，當(dāng)Kp=20,ki=65,pd=9滿意使閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量σ%<20%,過渡過程時間ts<2s，結(jié)果如下：mp=1.1367Ts=0.8945從結(jié)果可知超調(diào)量mp%<20%,過渡過程時間Ts<2s滿意設(shè)計要求.4、仿真運行曲線：5、運行結(jié)果分析及設(shè)計小結(jié)把比例微分積分結(jié)合起來進行限制能夠更好的達(dá)到我們想要的結(jié)果，PID參數(shù)的整定就是合理的選取PID三個參數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等方面來考慮問題，每個參數(shù)都有自己的作用，比如比例調(diào)整的作用是能夠成比例地反映系統(tǒng)的偏差信號，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)整馬上產(chǎn)生和其成比例的調(diào)整作用，以減小偏差。隨著Kp增大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但是系統(tǒng)簡單產(chǎn)生超調(diào)，并且加大Kp只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能消退穩(wěn)態(tài)誤差，顯著特點就是有差調(diào)整。然后就是微分調(diào)整的作用是消退系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的誤差度，它的特點就是誤差調(diào)整。微分調(diào)整作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，可以削減超調(diào)，削減調(diào)整時間?？傊壤e分微分限制作用是相互關(guān)聯(lián)的，結(jié)合起來用效果會更好。設(shè)計二：二階系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置的設(shè)計和分析設(shè)某被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)如下：設(shè)計要求：選用合適的方法設(shè)計一個串聯(lián)校正裝置K(s)，使閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量，過渡過程時間，開環(huán)比例系數(shù)，并分析串聯(lián)校正裝置中增益、極點和零點對系統(tǒng)性能的影響。提示：可采納根軌跡校正工具進行串聯(lián)校正MATLAB供應(yīng)了一個協(xié)助設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡的仿真軟件Rltool，可以用來進行根軌跡校正。在commandwindow下鍵入>>rltool，進入設(shè)計環(huán)境。設(shè)計思路方法依據(jù)題目要求采納matlab中供應(yīng)的一個協(xié)助設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡的仿真軟件Rltool，來進行根軌跡校正。打開matlab，在commandwindow下鍵入>>rltool，進入設(shè)計環(huán)境。依據(jù)設(shè)計要求：開環(huán)比例系數(shù)即取k=40,傳遞函數(shù)二、設(shè)計步驟1、打開matlab，在commandwindow下鍵入>>rltool，進入設(shè)計環(huán)境。啟動SISODesignTool在matlab中鍵入num=40;den=conv([1,0],[1,2]);ex_1=tf(num,den)，出現(xiàn)函數(shù)40/(s^2+2s)得到該系統(tǒng)的LTI對象模型ex_1。2、啟動SISODesignTool窗口后，利用該窗口中File菜單下的吩咐Import,打開系統(tǒng)模型輸入對話框窗口。采納系統(tǒng)默認(rèn)的結(jié)構(gòu)，輸入選中的對象ex_1，將限制對象G設(shè)置為ex_1，限制器C設(shè)為1，其他的環(huán)節(jié)H,F均運用默認(rèn)的取值1.單擊OK在SISODesignTool中會自動繪制此負(fù)反饋線性系統(tǒng)的根軌跡圖，以及系統(tǒng)波特圖，如圖3、點擊Analysis中的otherloopresponse選擇step得到閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖可以看到校正前的超調(diào)量為60.4%，過渡過程時間為3.66s，明顯不滿意要求。4、經(jīng)過反復(fù)試驗，得出加入零點-5，加入極點-33，是滿意要求的，可得到如下的根軌跡圖以及伯德圖5、得到的階躍響應(yīng)曲線如下超調(diào)量15.8%<20%，過渡過程時間0.715s<1.5s,滿意要求說明加的零極點是正確的6、在運用SISODesignTool完成系統(tǒng)的設(shè)計之后，在系統(tǒng)實現(xiàn)之前必需對設(shè)計好的系統(tǒng)通過Simulink進行仿真分析，進一步對限制器C進行驗證，以確保系統(tǒng)設(shè)計的正確性。下圖為系統(tǒng)相應(yīng)的Simulink模型：7、編寫M文件運行以得出超調(diào)量和過渡過程時間，以驗證是否正確，程序如下：num0=40;den0=conv([1,0],[1,2]);num1=[0.2,1];den1=[0.03,1];[num2,den2]=series(num0,den0,num1,den1);[num,den]=cloop(num2,den2);t=0:0.005:5;y=step(num,den,t);plot(t,y);N=length(t);yss=y(N);holdon[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,i=N;whileabs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i),運行結(jié)果：mp=15.7500Ts=0.7150運行所得的曲線如下：運行結(jié)果分析：所得出的結(jié)果，超調(diào)量15.7500%<20%,過渡過程時間0.7150s<1.5s,滿意設(shè)計要求，證明設(shè)計的沒有問題，符合設(shè)計要求。三、串聯(lián)校正裝置中增益、極點和零點對系統(tǒng)性能的影響。（1）加入增益68，所得到的根軌跡及伯德圖：編寫M程序，得出圖像及超調(diào)量，過渡過程時間等值，來推斷加入增益對系統(tǒng)性能的影響，程序如下：num0=40;den0=conv([1,0],[1,2]);num1=68*[0.2,1];den1=[0.03,1];[num2,den2]=series(num0,den0,num1,den1);[num,den]=cloop(num2,den2);t=0:0.005:1;y=step(num,den,t);plot(t,y);%計算超調(diào)量mpN=length(t);yss=y(N);holdon%yss：穩(wěn)態(tài)值[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,i=N;whileabs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i),運行結(jié)果為mp=69.4107Ts=0.2600運行曲線為：由以上結(jié)果及圖像可以得出以下結(jié)論：加入增益之后超調(diào)量變大了，過渡過程時間變短了，波動的更加厲害，穩(wěn)態(tài)誤差變小了。說明可以變更開環(huán)增益的大小，從而改善穩(wěn)態(tài)誤差（2）加入零點-10，所得到的根軌跡及伯德圖：階躍響應(yīng)曲線如下：由圖可以得出，加入零點后對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了很大的影響，過渡過程時間變長了，超調(diào)量變小了，波動次數(shù)少了，而且增加開環(huán)極點，使得原系統(tǒng)根軌跡的整體走向在S平面對右移，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。（3）加入極點-10后所得到的根軌跡以及伯德圖:階躍響應(yīng)曲線如下：由圖可以看出加入零點之后系統(tǒng)的性能發(fā)生的變更，過渡過程時間變得更長了，超調(diào)量變大了，波動次數(shù)變多了，增加開環(huán)零點，使得原系統(tǒng)根軌跡的整體走向在S平面對右移，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善。四、設(shè)計小結(jié)這個設(shè)計是應(yīng)用了matlab中新的功能，是協(xié)助設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡的仿真軟件Rltool，可以用來進行根軌跡校正的一個軟件，在運用的過程中遇到了許多問題，參照著課本，一步一步的進行探究，遇到課本上解決不了的，就向同學(xué)和老師詢問，或者在網(wǎng)上搜些資料以幫助自己理解一些概念，從而更快的理解課程設(shè)計須要做的