自動控制原理課程設計--基于MATLAB軟件的自動控制系統仿真

《 自動控制原理 》課程設計說 明 書日期： 2012.5.21-2012.6.1 自動控制原理 課程設計評閱書題目 基于 MATLAB 軟件的自動控制系統仿真學生姓名 學號指導教師評語及成績指導教師簽名：年 月 日答辯評語及成績答辯教師簽名：年 月 日教研室意見總成績：教研室主任簽名：年 月 日摘 要MATLAB 是一種直觀、高效的計算機語言，同時也是一個科學計算平臺。MATLAB 軟件技術進行控制系統建模，時域、負域和頻域分析，前饋校正設計，離散系統與非線性系統分析，以及現代控制理論中的可控性、可觀性和穩定性的判別。在 MATLAB 中，常用的系統建模方法有傳遞函數模型，零極點模型以及狀態空間模型等。在這次課程設計中，就使用了 MATLAB 軟件對我們過去學過的一些簡單的函數進行仿真。此次學會了使用簡單的 MATLAB 語言編寫簡單的傳遞函數，還有使用 Simulink 進行仿真。 我們可將綜合性和設計性實驗項目通過 MATLAB 在計算機上仿真，使系統的觀察實驗的動態過程。目前，MATLAB 已經成為我們當代大學生必須掌握的基本技能，在設計研究單位和工業部門，MATLAB 已經成為研究和解決各種具體工程問題的一種標準軟件。在完成了驗證性、綜合性和設計性實驗后，課程設計必不可少。課程設計是工科實踐教學的一個重要的環節，目的是培養我們綜合運用理論知識分析和解決實際問題的方法和能力,實現由知識向技能的初步化。所以課程設計是培養我們思維創造能力最有效的圖徑。關鍵詞： 控制系統；MATLAB;模擬仿真；思維創造目 錄1 課題描述……………………………………………………………………12 仿真過程……………………………………………………………………22.1 控制系統建?！?2.2 線性系統時域分析…………………………………………………22.3 線性系統根軌跡分析………………………………………………42.4 線性系統頻域分析…………………………………………………52.5 線性系統校正………………………………………………………63 Simulink 仿真………………………………………………………………7總結…………………………………………………………………………11參考文獻……………………………………………………………………121 課題描述MATLAB 是一種直觀、高效的計算機語言，同時也是一個科學計算平臺。它的伴隨工具 Simulink 是用來對真實世界的動力學系統建模、模擬仿真和分析的軟件。我們可將綜合性和設計性實驗項目通過 MATLAB 在計算機上仿真，使系統的觀察實驗的動態過程。目前，MATLAB 已經成為我們當代大學生必須掌握的基本技能，在設計研究單位和工業部門，MATLAB 已經成為研究和解決各種具體工程問題的一種標準軟件。在完成了驗證性、綜合性和設計性實驗后，課程設計必不可少。課程設計是工科實踐教學的一個重要的環節，目的是培養我們綜合運用理論知識分析和解決實際問題的方法和能力,實現由知識向技能的初步化。所以課程設計是培養我們思維創造能力最有效的途徑。在學習自動控制原理這個學科之后，這次課程設計又針對這個學科做了 MATLAB軟件的仿真學習。這次課程設計的基本要求是學會使用 MATLAB 軟件并進行仿真，學會建立簡單的數學模型，例如，傳遞函數模型，零極點模型以及狀態空間模型等。然后對這個軟件進行一定的了解與認識。而且還要學會使用簡單的 MARLAB 語言和 Simulink 構建簡單的數學模型。通過學習培養理論聯系實際的科學態度，訓練綜合運用經典控制理論和相關課程知識的能力。掌握自動控制原理的時域分析法，根軌跡法，頻域分析法，以及各種(矯正)裝置的作用及用法，能夠利用不同的分析方法對給定系統進行性能分析，能根據不同的系統性能指標要求進行合理的系統設計，并調試滿足系統的指標。學會使用 MATLAB 語言及 Simulink 動態仿真工具進行系統的仿真與調試。鍛煉獨立思考和動手解決控制系統實際問題的能力。2 設計過程2.1 控制系統建模已知多回路反饋系統的結構如圖，求閉環系統的傳遞函數 C(S)/R(S)32)(1??sG, , , , ,1 41)(2??ssS61)(??sSG21)(??sSH, 。2)(?sH3解 MATLAB 文本如下G1=tf([1],[1 10]);G2=tf([1],[1 1]);G3=tf([1 0 1],[1 4 4]);numg4=[1 1];deng4=[1 6];G4=tf(numg4,deng4);H1=zpk([-1],[-2],1);numh2=[2];denh2=[1];H3=1;nh2=conv(numh2,deng4);dh2=conv(denh2,numg4);H2=tf(nh2,dh2);sys1=series(G3,G4);sys2=feedback(sys1,H1,+1);sys3=series(G2,sys2);sys4=feedback(sys3,H2);sys5=series(G1,sys4);sys=feedback(sys5,H3)程序執行結果Zero/pole/gain:0.083333 (s+1)^2 (s+2) (s^2 + 1)----------------------------------------------------------(s+10.12) (s+2.44) (s+2.349) (s+1) (s^2 + 1.176s + 1.023)2.2 線性系統時域分析已知系統的閉環傳遞函數為 ，其中num=[16];den=[1 8 * zeta 16];sys=tf(num,den);p=roots(den)t=0:0.01:3;figure(1)impulse(sys,t);gridxlabel( t );ylabel( c(t) );title( impulse response );figure(2)step(sys,t);gridxlabel( t );ylabel( c(t) );title( step response );figure(3)u=t;lsim(sys,u,t,0);gridxlabel( t );ylabel( c(t) );title( ramp response );程序執行結果單位脈沖響應單位階躍響應單位斜坡響應分析系統對輸入信號導數的響應，就等于系統對該信號響應的導數；或者，系統對輸入信號的積分的響應，就等于系統對該輸入信號響應的積分，而積分常數由零輸入初始條件確定。2.3 線性系統根軌跡分析已知單位負反饋系統的開環傳遞函數為 試畫出 K 從零點變)(420)(ssG??化到無窮時的根軌跡圖，并求出系統臨界阻尼時對應的 K 值及其閉環極點。解 系統閉環特征多項式為D(s)= +4s+Ks+20= +4s+20+K(s+4)=0 等效開環傳遞函數2s2s04)()(2*??KGMATLAB 文本如下G=TF([1 4],[1 4 20]);figure(1)pzmap(G);figure(2)rLocus(G

總結

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