自动控制原理课程设计课程设计报告( 2012—2013 年度第 1 学期)名称:《自动控制理论》课程设计题目:基于自动控制理论的性能分析与校正院系:自动化系班级: 1001班学号: 201002020122学生姓名:吴国昊指导教师:刘鑫屏老师设计周数: 1周成绩:日期: 2012年 12 月 31 日一、课程设计的目的与要求一、设计题目基于自动控制理论的性能分析与校正二、目的与要求本课程为《自动控制理论A》的课程设计,是课堂的深化。
设置《自动控制理论A》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能,熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件,能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题,并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。
作为自动化专业的学生很有必要学会应用这一强大的工具,并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能,以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。
通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来,而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。
通过此次计算机辅助设计,学生应达到以下的基本要求:1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。
2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。
3.能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件,分析系统的性能。
三、主要内容1.前期基础知识,主要包括MATLAB系统要素,MATLAB语言的变量与语句,MATLAB的矩阵和矩阵元素,数值输入与输出格式,MATLAB系统工作空间信息,以及MATLAB的在线帮助功能等。
2.控制系统模型,主要包括模型建立、模型变换、模型简化,Laplace变换等等。
3.控制系统的时域分析,主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零极点对系统性能的影响、高阶系统的近似研究,控制系统的稳定性分析,控制系统的稳态误差的求取。
4.控制系统的根轨迹分析,主要包括多回路系统的根轨迹、零度根轨迹、纯迟延系统根轨迹和控制系统的根轨迹分析。
5.控制系统的频域分析,主要包括系统Bode图、Nyquist图、稳定性判据和系统的频域响应。
6.控制系统的校正,主要包括根轨迹法超前校正、频域法超前校正、频域法滞后校正以及校正前后的性能分析。
四、进度计划五、设计成果要求上机用MATLAB编程解题,从教材或参考书中选题,控制系统模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹分析法、控制系统的频域分析法每章选择两道题。
第六章校正选四道,其中根轨迹超前校正一道、根轨迹滞后校正一道、频域法超前校正一道、频域法滞后校正一道。
并针对上机情况打印课程设计报告。
课程设计报告包括题目、解题过程及程序清单和最后的运行结果(曲线),课程设计总结或结论以及参考文献。
学生姓名:指导教师:年 月 日二、设计正文1.基础知识、数学模型题目一:求控制系统的闭环传递函数(如图)方法一(在Matlab 中直接编程建模)Ma方法二:(用Matlab 软件的simulink 工具搭建模型)求传递函数 模型如下:G1=tf([10],[1 1]); G2=tf([2],[1 1 0]); H2=tf([1 2],[1 3]); H1=tf([5 0],[1 6 8]); GH=feedback(G2,H2,+1); Gc=GH*G1; G=feedback(Gc,H1)结果为:Transfer function:20 s^3 + 180 s^2 + 520 s + 480-----------------------------------------------------s^6 + 11 s^5 + 43 s^4 + 67 s^3 + 118 s^2 + 252 s - 32输入下列程序:可以看出仿真产生了很小的误差,但是不影响实际作用分析:经过第一个题的尝试,我已经能够运用Matlab软件建立一些系统模型能建立一些相对复杂的模型,并求出它的传递函数,这个对我们的实际生活工作时很有用的,工作中,很多系统的复杂程度超出了人工运算,只有能用计算机建模,分析不仅运算速度大大加快,而且准确率提高!同时,在题中尝试使用simulink工具搭建模型解答,这种方法能够大大缩短我们的编程实践,如果有复杂题目,我们应该使用simulink搭建模型进行仿真,可以的出与理论结果相差很小的结果!题目二:已知一系统的传递函数求其零极点及增益 并画出零极点图。
Pole-Zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i s-6-5-4-3-2-10-3-2-1123System: G Pole : -2Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 2System: G Zero : -2 + 2.65i Damping: 0.603Overshoot (%): 9.3Frequency (rad/sec): 3.32System: GPole : -0.551Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 0.551System: GZero : -2 - 2.65i Damping: 0.603Overshoot (%): 9.3Frequency (rad/sec): 3.32System: G Pole : -5.45Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 5.45Pole-Zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i s-3-2-1123System: G Pole : -2Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 2System: G Zero : -2 + 2.65i Damping: 0.603Overshoot (%): 9.3Frequency (rad/sec): 3.32System: G Pole : -0.551Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 0.551System: G Zero : -2 - 2.65iDamping: 0.603Overshoot (%): 9.3Frequency (rad/sec): 3.32System: G Pole : -5.45Damping: 1Overshoot (%): 0Frequency (rad/sec): 5.45分析:题目二是求零极点模型和增益,零极点模型在控制系统中很重要,因为它是根轨迹分析的基础,通过这个题,我会构建一个函数的零极点模型,画零极点图。
从数学程序如下:num=[1 4 11];den=conv([1 6 3],[1 2 0]); G=tf(num,den) [z,p,k]=zpkdata(G,'v'); pzmap(G) Transfer function:s^2 + 4 s + 11 -------------------------- s^4 + 8 s^3 + 15 s^2 + 6 s z = -2.0000 + 2.6458i-2.0000 - 2.6458ip = 0 -5.4495 -2.0000 -0.5505 k = 1)2)(36(114)(222s s s s G s s s +++++=)3)(8.0)(5.0()2(2.0++++s s s s s 模型入手研究自动控制系统,利用控制系统的数学模型,就可以撇开系统具体的物理模型,探究系统的共同规律,可以对控制系统有普遍意义上的研究。
2.控制系统的时域分析题目三:已知单位负反馈系统的的开环传递函数为G= 是判断次闭环系统的稳定性。
解:首先要求闭环系统的特征多项式,程序代码如下:根据特征多项式, 求其特征根来判断系统稳定性。
程序如下:由于只有负实轴的特征根,所以此系统是稳定的。
分析:题目三讨论的问题是我们学习这门课程的一个很重要的方面稳定性,我们在生活工作中研究一个系统往往都是想把它投入使用造福人类,而系统的稳定性与否,与系统的实用性息息相关,此题是通过求系统闭环函数的特征跟来判断稳定与否,如果特征跟位于坐标平面作伴平面,则系统稳定,反之不稳定,我们在设计,制造控制系统的时候就有法可依,做了这个题目以后,我能够很快的在计算机上得出系统稳定与否,为我们下一步研究奠基,只有系统稳定可行了,我们才能做出一个稳定使用的系统!题目三也给我们提供一种方法求稳定新,即看其特征根分布!题目四:ωωωξ2222n nns s ++1=ωn典型二阶系统传递函数为Gc(s)= 1.对于,5,4,3,2,1,......3.0,2.0,1.0,0=ξ 求闭环系统的单位阶跃响应2将阻尼比ξ的只固定在0.55,绘制在各频率1,...2.0,1.0=ωn下的单位响应阶跃曲线1. 程序如下:matlab 运行后曲线如下:2.程序如下:wn=1;zetas=[0:0.1:1,2,3,4,5]; t=0:0.1:12; hold onfor i=1:length(zetas)Gc=tf(wn^2,[1,2*zetas(i)*wn,wn^2]); step(Gc,t) endgrid on,hold off运行结果;分析:题目四通过对典型二阶系统不同阻尼,不同频率进行了分析,通过第一问,我们可以得出结论:过阻尼(ξ>1)的时候时间响应的调节时间最长,进入稳态很慢,没有超调量。
临界阻尼(1=ξ)没有超调量且响应时间较wn=[0.1:0.1:1]; z=0.55; t=0:0.1:12; hold onfor i=1:length(wn)Gc=tf(wn(i)^2,[1,2*z*wn(i),wn(i)^2]); step(Gc,t) end过阻尼小。
无阻尼(0=ξ)的时候系统表现出等幅震荡,没有稳态。
欠阻尼(10<<ξ)的时候上升时间很快调节时间很短,但是有超调量,但是如果选择合适的可能使超调量较小,调节时间较短,这在我们实际设计控制系统中有指导作用,我们应该重点研究欠阻尼的情况,力求控制系统性能最优!通过第二问,可以的出结论当振荡频率增加时,系统的响应速度加快,但是响应曲线的峰值保持不变,也可以利用这点,对系统的快速性进行调整!3.控制系统的根轨迹分析题目五:已知反馈系统的开环传递函数为G (s )=)14.1)(6)(4()42(22++++++s s s s s K s s试绘制系统的根轨迹。