控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真大論文

1、<p>　　控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真大論文</p><p>　　課程目標(biāo)1：理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念及其在自動(dòng)化工程中的體現(xiàn)，能對(duì)自動(dòng)化復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，時(shí)域分析，根軌跡法及頻域分析，并能針對(duì)復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制算法設(shè)計(jì)。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.5）</p><p>　　課程目標(biāo)2：理解自動(dòng)控制原理及現(xiàn)代控制理論等理論基礎(chǔ)，能夠根據(jù)控制對(duì)象特征，選擇合適的控制系統(tǒng)校正

2、方法，并進(jìn)行有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)4.2）</p><p>　　課程目標(biāo)3：掌握MATLAB軟件中關(guān)于控制系統(tǒng)建模和控制算法設(shè)計(jì)的相關(guān)操作，能夠根據(jù)需要完成程序編譯及控制效果圖的展示，能夠進(jìn)行正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，獲得控制系統(tǒng)參數(shù)如何影響其控制性能等的有效結(jié)論。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)4.4）</p><p>　　課程目標(biāo)4：掌握控制科學(xué)的仿真軟件

3、MATLAB的基本操作，能針對(duì)復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)各種模型之間的轉(zhuǎn)換及模型連接，掌握系統(tǒng)預(yù)測(cè)與模擬仿真方法。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1）</p><p>　　課程目標(biāo)5： 理解復(fù)雜控制系統(tǒng)模擬仿真與預(yù)測(cè)方法的局限性。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.2）</p><p>　　課程目標(biāo)6：針對(duì)自動(dòng)化復(fù)雜工程的控制問題，能提出串級(jí)控制、前饋控制、反饋速度控制等多種解決方案，并確定滿足性能指標(biāo)要

4、求的控制器設(shè)計(jì)，能在MATLAB軟件中建立合理的控制算法，完成控制器的設(shè)計(jì)和仿真分析。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.3）</p><p>　　姓名： 學(xué)號(hào)：</p><p>　　班級(jí)： 序號(hào)：</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、M

5、ATLAB軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景1</p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　ABSTRACT2</p><p>　　1.1、MATLAB簡(jiǎn)介3</p><p>　　1.2、Simulink簡(jiǎn)介4</p><p>　　2、復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

6、、時(shí)域分析、根軌跡題5</p><p>　　2.1題目：汽車速度控制系統(tǒng)的根軌跡分析5</p><p>　　2.1.2、汽車速度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立5</p><p>　　2.1.2、設(shè)計(jì)要求6</p><p>　　2.1.3、請(qǐng)依次求解6</p><p>　　2.2、汽車速度控制系統(tǒng)題目解答7</

7、p><p>　　2.2.1、三階系統(tǒng)的根軌跡圖7</p><p>　　2.2.2、滿足上述條件的系統(tǒng)穩(wěn)定的Ka的值7</p><p>　　2.2.3、三階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)8</p><p>　　3、復(fù)雜控制系統(tǒng)校正題10</p><p>　　3.1、題目：直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制10</p><

8、;p>　　3.1.1、對(duì)象介紹10</p><p>　　3.1.2、控制目標(biāo)設(shè)定11</p><p>　　3.1.3、建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)11</p><p>　　3.1.4、設(shè)計(jì)要求11</p><p>　　3.1.5、請(qǐng)依次求解12</p><p>　　3.2、直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制題目解答12<

9、/p><p>　　3.2.1、總體設(shè)計(jì)框圖12</p><p>　　3.2.2、原系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度16</p><p>　　3.2.4、判定穩(wěn)定性17</p><p>　　3.2.5、滯后-超前校正裝置20</p><p>　　4、心得體會(huì)28</p><p><b>

10、　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p>　　小論文題目： MATLAB軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景（不少于1500字）</p><p>　　小論文包括：中文摘要、關(guān)鍵詞、英文摘要、英文關(guān)鍵詞、正文。</p><p>　　MATLAB軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景</p><p><b>　　

11、摘 要</b></p><p>　　MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p>

12、<p>　　關(guān)鍵詞：MATLAB Simulink 控制系統(tǒng) 仿真 系統(tǒng)模型</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　MATLAB is an interactive programming language for matrix computation based on the MathWorks company lau

13、nched in 1984, can be used for the senior technical calculation algorithm development, data visualization, data analysis and numerical computing language and interactive environment. Simulink provides a building block di

14、agram model of the graphical user interface, the process of creating just click and drag the mouse operation can be completed, it provides a convenient and straightforward way, </p><p>　　Keywords：MATLA Simul

15、ink Control system simulation system mode</p><p>　　隨著現(xiàn)在國(guó)家推行建設(shè)應(yīng)用型本科大學(xué)服務(wù)地方的要求，現(xiàn)在各高校理論課程及課時(shí)嚴(yán)重削減，很多數(shù)學(xué)知識(shí)比如復(fù)變函數(shù)等都取消了，高等數(shù)學(xué)也只是上了基礎(chǔ)部分，最直接的后果就是導(dǎo)致工科的專業(yè)課很難以過去傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行下去，其中控制工程基礎(chǔ)就是一門影響比較嚴(yán)重的課程，針對(duì)這種情況，在教學(xué)中引入MATLAB，配合其強(qiáng)大的數(shù)

16、值計(jì)算能力、繪圖及建模仿真，以彌補(bǔ)這一缺陷，同時(shí)使抽象的課程形象化，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)及自學(xué)能力，對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)也有很大的幫助。</p><p>　　眾所周知，一個(gè)系統(tǒng)的好壞要根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)是否穩(wěn)定來判斷，因而穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)能否正常工作的首要條件，所以在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)首先判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在自動(dòng)控制理論的學(xué)習(xí)過程中，對(duì)判別穩(wěn)定性一般采用勞斯穩(wěn)定判據(jù)的計(jì)算來判別。對(duì)于低階或是不復(fù)雜的系統(tǒng)判斷起來很簡(jiǎn)單，

17、但是對(duì)于高階系統(tǒng)，按這樣的方法計(jì)算過程繁瑣且復(fù)雜，很容易出錯(cuò)。運(yùn)用MATLAB來判斷穩(wěn)定性不僅減少了計(jì)算量，而且準(zhǔn)確。</p><p>　　由于MATLAB的使用極其容易，不要求使用者具備高深的數(shù)學(xué)與程序語言的知識(shí)，不需要使用者深刻了解算法與編程技巧，且提供了豐富的矩陣處理功能，所以受到了廣大學(xué)生和科研工作者的青睞。使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB

18、的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。</p><p>　　1.1、MATLAB簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。MATLAB與MATHEMATICA、MAPLE并稱為數(shù)學(xué)領(lǐng)域的三大軟件，其中MATLAB在數(shù)值計(jì)算方面

19、以及工業(yè)和科研領(lǐng)域中的普及程度均首屈一指。目前國(guó)內(nèi)眾多高校均初步把MATLAB作為控制工程基礎(chǔ)教學(xué)的基本工具，通過MATLAB的框圖構(gòu)造使學(xué)生能很快地從復(fù)雜的結(jié)構(gòu)框圖中理清頭緒，并了解系統(tǒng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)特征的相互關(guān)系。</p><p>　　MATLAB語言規(guī)則簡(jiǎn)單，同時(shí)提供了數(shù)以千記的計(jì)算函數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立及分析在控制系統(tǒng)的研究中有著相當(dāng)重要的作用。因?yàn)橐獙?duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真處理，首先應(yīng)當(dāng)知道系統(tǒng)的

20、數(shù)學(xué)模型，然后才可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。同樣，如果知道了系統(tǒng)的模型，才可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)合適的控制器，使得系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到預(yù)期的效果，從而符合工程實(shí)際的需要。MATLAB軟件的應(yīng)用，學(xué)生感覺在解決了煩人的數(shù)學(xué)問題后，其實(shí)控制工程基礎(chǔ)是一門很有意思也很有用的課程，尤其是學(xué)校組建了自動(dòng)化大賽的隊(duì)伍，在準(zhǔn)備比賽提案撰寫中，也充分發(fā)揮了MATLAB軟件功能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及科研、動(dòng)手的能力。</p><p>　　MAT

21、LAB不僅有著豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用。而且用戶還可以根據(jù)需要方便地編寫和擴(kuò)充新的函數(shù)庫。通過混合編程用戶可以方便地在MATLAB環(huán)境中調(diào)用其他用Fortran或者C語言編寫的代碼，也可以在C語言或者Fortran語言程序中調(diào)用MATLAB計(jì)算引擎來執(zhí)行MATLAB代碼</p><p>　　1.2、Simulink簡(jiǎn)介</p><p>　　Simulink是MATL

22、AB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完

23、成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。其實(shí)，從很多實(shí)例分析就可以看出MATLAB的功能之強(qiáng)大，應(yīng)用范圍之廣。相信，在不久的將來，MATLAB在自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中會(huì)更加廣泛。</p><p>　　綜上所述，MATLAB是一種基于矩陣運(yùn)算、具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能的高級(jí)編程語言，廣泛應(yīng)用于信號(hào)分析、語音分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，在復(fù)雜算法方面表現(xiàn)出其他語言難以比擬的優(yōu)勢(shì)，目

24、前已成為國(guó)際上最為流行的軟件之一。</p><p>　　復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)域分析、根軌跡題</p><p>　　復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)域分析、根軌跡題</p><p>　　2.1題目：汽車速度控制系統(tǒng)的根軌跡分析</p><p>　　汽車測(cè)速是生活中經(jīng)常遇到的問題，汽車速度控制系統(tǒng)是為了讓兩車之間的距離保持在安全距離，防止事故。整個(gè)系統(tǒng)可

25、以模擬成一個(gè)單輸入單輸出的控制過程，主要是要確定汽車的運(yùn)行軌跡，運(yùn)用根軌跡法可以很好的分析速度控制系統(tǒng)</p><p>　　2.1.2、汽車速度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　汽車速度控制系統(tǒng)主要是通過兩車的速度檢查和相對(duì)距離的檢查，通過數(shù)字通信送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算是否滿足兩車之間的安全距離，再通過車內(nèi)的控制設(shè)備對(duì)汽車的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得兩輛汽車距離保持在安全距離之上，汽車速度控

26、制系統(tǒng)的實(shí)物簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1汽車速度控制系統(tǒng)實(shí)物簡(jiǎn)圖</p><p>　　Figure 2.1 vehicle speed control system physical diagram</p><p>　　忽略汽車速度控制系統(tǒng)其它影響因素，假定控制過程汽車速度均勻變化，速度檢查裝置和兩車相對(duì)距離檢查裝置采集的信號(hào)都無衰減，我們可將

27、汽車測(cè)速控制系統(tǒng)模擬為但輸入但輸出的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化為圖4，其中輸入 汽車的相對(duì)速度，輸出 為兩車之間的安全距離。</p><p>　　圖2.2 汽車速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　Figure 2.2 vehicle speed control block diagram of the system</p><p>　　由圖2.2可計(jì)算得到汽車速度控制

28、系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　2.1.2、設(shè)計(jì)要求</p><p>　　在已知的根軌跡上選取最佳阻尼系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析,保證汽車速度控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)：</p><p>　　指標(biāo)1：階躍響應(yīng)的超調(diào)量</p><p>　　指標(biāo)2：階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間</p><p>　　2.1.3、請(qǐng)依次求解</p&

29、gt;<p>　　1請(qǐng)繪制三階系統(tǒng)的根軌跡圖</p><p>　　2請(qǐng)確定滿足上述條件的系統(tǒng)穩(wěn)定的Ka的值</p><p>　　3請(qǐng)計(jì)算出在滿足3.2條件下的三階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)</p><p>　　2.2、汽車速度控制系統(tǒng)題目解答</p><p>　　2.2.1、三階系統(tǒng)的根軌跡圖</p><p>　

30、　程序如下（2.1）：</p><p><b>　　num=[1];</b></p><p>　　den=[0.2 1.4 2 0];</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　圖2.3三階系統(tǒng)

31、的根軌跡圖</p><p>　　2.2.2、滿足上述條件的系統(tǒng)穩(wěn)定的Ka的值</p><p>　　根據(jù)根軌跡可以得到： 0<Ka<13.9</p><p>　　程序如下(2.2):</p><p><b>　　num=[1];</b></p><p>　　den=[0.2 1.4 2

32、 0];</p><p>　　sys=tf(num,den);</p><p><b>　　z=0.707;</b></p><p><b>　　w=[];</b></p><p>　　rlocus(sys)</p><p><b>　　grid on</b&

33、gt;</p><p>　　sgrid(z,w)</p><p>　　圖2.4三階系統(tǒng)的根軌跡圖</p><p>　　根據(jù)最佳阻尼比由圖可得：Ka=1.4</p><p>　　2.2.3、三階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)</p><p>　　程序如下（2.3）：</p><p>　　num=[1.4];&

34、lt;/p><p>　　den=[0.2 1.4 2 0];</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　G1=feedback(G,1)</p><p><b>　　step(G1)</b></p><p><b>　　grid on</b></p

35、><p>　　圖2.5Ka=3時(shí)的三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　階躍響應(yīng)系能指標(biāo)： 上升時(shí)間tr =3.13s</p><p>　　峰值時(shí)間tp =4.03s</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間ts =6.02s</p><p>　　峰值幅值h（tp）=1.04</p><p>　　

36、穩(wěn)態(tài)值： h(∞)= 1</p><p><b>　　超調(diào)量： </b></p><p>　　三、 復(fù)雜控制系統(tǒng)校正題</p><p><b>　　復(fù)雜控制系統(tǒng)校正題</b></p><p>　　3.1、題目：直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制</p><p>　　3.1.1、對(duì)象

37、介紹</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，很多工廠都因?yàn)樽儔浩骶€圈繞的圈數(shù)對(duì)精確或者不夠緊密而影響生產(chǎn)質(zhì)量，因此發(fā)明了直流電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線控制系統(tǒng)來為生產(chǎn)減輕負(fù)擔(dān)。但是電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線系統(tǒng)他有一個(gè)特點(diǎn)，就是靠電流控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，電流是電氣中最難控制的。因此我們?cè)诖诵枰芯侩姍C(jī)繞線系統(tǒng)的特性，其物理機(jī)制與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。它反應(yīng)了控制系統(tǒng)中一種基本現(xiàn)象，即一個(gè)平常的不穩(wěn)定被控對(duì)象，經(jīng)過一定的控制手段，就可以讓系統(tǒng)達(dá)到

38、很好的穩(wěn)定性?？梢姡绷麟姍C(jī)繞線系統(tǒng)控制問題的研究和實(shí)現(xiàn)不僅具有深刻的理論意義，還具有重要的工程背景。</p><p>　　直流電機(jī)繞線控制系統(tǒng)的輸入值為給定直流電機(jī)一個(gè)初始轉(zhuǎn)速，然后控制器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶到纏繞環(huán)勻速上下移動(dòng)，然后轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x把輸出的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量值反饋給比較器和輸入值進(jìn)行比較，經(jīng)過計(jì)算把偏差值傳送給控制器，控制器根據(jù)偏差的大小，去驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，以正確控制纏繞環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)

39、的繞線轉(zhuǎn)子因?yàn)槭且诶@線的過程中逐漸增加系統(tǒng)負(fù)載的，一般的設(shè)備不能承擔(dān)變壓器線圈的重量，所以在這里采用氣壓夾緊設(shè)備來固定轉(zhuǎn)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子，繞線轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)這里利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)就是在非超載情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止，根脈沖的頻率和脈沖數(shù)有關(guān)，它不受負(fù)載影響，所以步進(jìn)電機(jī)工作性能是很穩(wěn)定的，在這里只要直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速合適，系統(tǒng)的控制就能夠達(dá)到穩(wěn)定的效果。直流電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。</p&g

40、t;<p>　　圖3.1 直流電機(jī)繞線系統(tǒng)圖</p><p>　　設(shè)備組成：直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子，氣動(dòng)夾設(shè)備，繞線環(huán)，控制器，測(cè)速儀等。</p><p>　　3.1.2、控制目標(biāo)設(shè)定</p><p>　　直流電機(jī)繞線控制系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)遇到電流的波動(dòng)等因素，能夠使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速的達(dá)到一個(gè)新的平衡位置(這里的輸入值 為給定直流電機(jī)一個(gè)初始電壓，系統(tǒng)

41、測(cè)量值 也是直流電機(jī)電壓)，并且在有較大的隨機(jī)擾動(dòng)情況下其電機(jī)的轉(zhuǎn)速一直能夠保持在期望的平衡位置。因?yàn)槲覀円ＷC直流電機(jī)在擾動(dòng)作用下最終能穩(wěn)定在新的轉(zhuǎn)速平衡位置上，因此其穩(wěn)態(tài)誤差 必須非常小甚至為零，這樣才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。我們要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，首先需要用頻域分析方法分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定（在這里選用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)更為方便快捷），才能進(jìn)一步對(duì)不穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。</p><p>　　3.1.3、建立

42、系統(tǒng)傳遞函數(shù)</p><p>　　根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線系統(tǒng)組成框圖，這里先假設(shè)系統(tǒng)控制器 ，可以建立可以寫出直流電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，即</p><p>　　其中 為直流電機(jī)的期望電壓值， 為直流電機(jī)的輸出電壓值。</p><p>　　3.1.4、設(shè)計(jì)要求</p><p><b>　　指標(biāo)設(shè)定具體要求</b>&

43、lt;/p><p>　　指標(biāo)要求1：階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小于10%，靜態(tài)速度誤差系統(tǒng)；</p><p>　　指標(biāo)要求2：系統(tǒng)在階躍輸入信號(hào)下的超調(diào)量小于；</p><p>　　指標(biāo)要求3：系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間()。</p><p>　　3.1.5、請(qǐng)依次求解</p><p>　　1請(qǐng)確定滿足指標(biāo)要求1的K的取值</p&g

44、t;<p>　　2繪制在3.1條件下的Nyquist和Bode圖，及其形成單位負(fù)反饋系統(tǒng)下的原系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　3請(qǐng)計(jì)算滿足3.1條件下的原系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度</p><p>　　4判斷原系統(tǒng)的穩(wěn)定性</p><p>　　5請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)滯后-超前校正裝置，使校正后的系統(tǒng)滿足指標(biāo)2和指標(biāo)3的要求。</p><p&

45、gt;　　3.2、直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制題目解答</p><p>　　直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　　3.2.1、總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　圖3.2 總體設(shè)計(jì)框圖</p><p><b>　　開環(huán)傳遞函數(shù)為：&l

46、t;/b></p><p>　　傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)成標(biāo)準(zhǔn)形式為：</p><p>　　由計(jì)算得：K/20=25；K=500</p><p>　　Nyquist和Bode圖以及原系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　程序（3.1）</b></p><p>　　num = 500;</

47、p><p>　　den = conv(conv([1 0],[1,2]),[1 10]);</p><p>　　sys = tf(num,den)</p><p>　　sys1=feedback(sys,1)</p><p>　　figure(1);nyquist(sys)</p><p><b>　　grid

48、on </b></p><p>　　figure(2);bode(sys)</p><p><b>　　grid on </b></p><p>　　figure(3);step(sys1)</p><p><b>　　grid on </b></p><p>&

49、lt;b>　　sys =</b></p><p><b>　　500</b></p><p>　　-------------------</p><p>　　s^3 + 12 s^2 + 20 s</p><p>　　Continuous-time transfer function.</p>

50、;<p><b>　　sys1 =</b></p><p><b>　　500</b></p><p>　　-------------------------</p><p>　　s^3 + 12 s^2 + 20 s + 500</p><p>　　Continuous-time t

51、ransfer function.</p><p>　　圖3.3 原系統(tǒng)的Nyquist圖</p><p>　　圖3.4 原系統(tǒng)的Bode圖</p><p>　　圖3.5 原系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖</p><p>　　3.2.2、原系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度</p><p><b>　　程序（3.2）</b

52、></p><p>　　num = 500;</p><p>　　den = conv(conv([1 0],[1,2]),[1 10]);</p><p>　　sys = tf(num,den)</p><p>　　margin(sys)</p><p><b>　　sys =</b>&l

53、t;/p><p><b>　　500</b></p><p>　　-------------------</p><p>　　s^3 + 12 s^2 + 20 s</p><p>　　Continuous-time transfer function.</p><p>　　圖3.6 原系統(tǒng)Bode圖

54、</p><p>　　仿真結(jié)果為Gm=-6.38dB Pm=-14.9deg</p><p>　　3.2.4、判定穩(wěn)定性</p><p>　?。?）、根據(jù)系統(tǒng)Bode圖計(jì)算出相角穩(wěn)定裕度γ>0,閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,否則系統(tǒng)不穩(wěn)定。利用Matlab函數(shù)margin()來繪制Bode圖和計(jì)算頻域指標(biāo)。</p><p>　　系統(tǒng)程序如下（3.3）

55、：</p><p><b>　　num = 25;</b></p><p>　　den = conv([0.5,1,0],[0.1,1]);</p><p>　　sys = tf(num,den)</p><p>　　[Gm,Pm,Wcp,Wcg]=margin(sys)</p><p>　　ma

56、rgin(sys)</p><p><b>　　執(zhí)行結(jié)果如圖3.7</b></p><p>　　圖3.7 原系統(tǒng)Bode圖</p><p>　　圖中相角穩(wěn)定裕度：γ=-14.9°<0。由此可見系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。</p><p>　?。?）、根據(jù)特征根判定系統(tǒng)穩(wěn)定</p><p>　　

57、程序如下（3.4）：</p><p>　　num = 500;</p><p>　　den = conv(conv([1 0],[1,2]),[1 10]);</p><p>　　[num,den]=cloop(num,den) </p><p>　　[z,p]=tf2zp(num,den) </p><p&g

58、t;　　i=find(real(p)>0) </p><p>　　n=length(i) </p><p>　　if(n>0) </p><p>　　disp('system is unstable'); </p><p>　　else &

59、lt;/p><p>　　disp('system is stable'); </p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　執(zhí)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　num =</b></p><p>　

60、　0 0 0 500</p><p><b>　　den =</b></p><p>　　1 12 20 500</p><p><b>　　z =</b></p><p>　　Empty matrix: 0-by-1</p><p>&l

61、t;b>　　p =</b></p><p>　　-13.3174 + 0.0000i</p><p>　　0.6587 + 6.0919i</p><p>　　0.6587 - 6.0919i</p><p><b>　　i =</b></p><p><b>　　2&

62、lt;/b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　n =</b></p><p><b>　　2</b></p><p>　　system is unstable</p><p>　　由此可見系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。<

63、/p><p>　　3.2.5、滯后-超前校正裝置</p><p>　?。?）、串聯(lián)滯后校正的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)</p><p>　　用MATLAB編寫的求滯后校正的程序代碼如下（3.5）：</p><p><b>　　num=500;</b></p><p>　　den=conv(conv([1 0],[1 2

64、]),[1 10]); </p><p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　[mag,phase,w]=bode(sys);</p><p>　　Mag=20*log10(mag);</p><p><b>　　Pm=-14.9;</b></p><p>　　Pm

65、1=Pm+80;</p><p>　　Qm=Pm1*pi/180;</p><p>　　b=(1-sin(Qm))/(1+sin(Qm));</p><p>　　Lcdb=-20*log10(b);</p><p>　　wc=spline(Mag,w,Lcdb);</p><p>　　T=10/(wc*b);</

66、p><p><b>　　Tz=b*T;</b></p><p>　　Gc=tf([Tz 1],[T 1])</p><p><b>　　Gc =</b></p><p>　　9.357 s + 1</p><p>　　-----------</p><p>

67、;<b>　　192 s + 1</b></p><p>　　Continuous-time transfer function.</p><p><b>　　所以到結(jié)果為</b></p><p>　　使用MATLAB檢驗(yàn)是否符合要求，程序代碼為（3.6）：</p><p>　　num1 = 500

68、;</p><p>　　den1=conv(conv([1 0],[1 2]),[1 10]); </p><p>　　sys1=tf(num1,den1);</p><p>　　num2=[9.357 1];</p><p>　　den2=[192 1];</p><p>　　sys2=tf(num2,

69、den2);</p><p>　　sys=sys1*sys2;</p><p>　　[mag,phase,w]=bode(sys);</p><p>　　margin(sys)</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　圖3.8 校正后的系統(tǒng)Bode圖</p&g

70、t;<p>　　MATLAB仿真結(jié)果為： Gm=19.3dB Pm=50.3deg （符合設(shè)計(jì)要求）</p><p>　?。?）、用MATLAB畫校正前后的軌跡</p><p><b>　　①校正前的根軌跡</b></p><p>　　由于系統(tǒng)未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>

71、　　使用MATLAB畫根軌跡代碼如下（3.7）：</p><p><b>　　num=500</b></p><p>　　den=conv(conv([1 0],[1 2]),[1 10])</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p><b>　　grid on</b><

72、;/p><p>　　圖3.9 校正前系統(tǒng)根軌跡圖</p><p><b>　　②校正后的根軌跡</b></p><p>　　系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　使用MATLAB畫根軌跡代碼如下（3.8）：</p><p>　　num=500*[9.357 1];</p>&

73、lt;p>　　den=conv(conv([1 10],[192 1]),[1 2 0]);</p><p>　　rlocus(num,den)</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　圖3.10 校正前系統(tǒng)根軌跡圖</p><p>　?。?）用MATLAB對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分

74、析</p><p>　　系統(tǒng)未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　單位負(fù)反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　使用MATLAB求校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)代碼如下（3.9）：</p><p><b>　　num=500;</b></p><p>　　den=[1,12,20,5

75、00];</p><p>　　t=0:0.01:20</p><p>　　step(num,den,t)</p><p>　　[y,x,t]=step(num,den,t)</p><p>　　maxy=max(y)</p><p>　　yss=y(length(t))</p><p>　　po

76、s=100*(maxy-yss)/yss</p><p>　　for i=1:2001</p><p>　　if y(i)==maxy</p><p><b>　　n=i;end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　tp=(n-1)*0.0

77、1</p><p>　　y1=1.05*yss</p><p>　　y2=0.95*yss</p><p><b>　　i=2001</b></p><p><b>　　while i>0</b></p><p><b>　　i=i-1</b>&l

78、t;/p><p>　　if y(i)>=y1|y(i)<=y2;m=i;break</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　圖3.11 校正前單位階躍響應(yīng)曲線圖</p><p><b>　　

79、系統(tǒng)能穩(wěn)定</b></p><p>　　使用MATLAB求校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)代碼如下（3.10）：</p><p><b>　　num=500;</b></p><p>　　den=[1,12,20,500];</p><p>　　s1=tf(num,den);</p><p

80、>　　Lsys=tf(num,den);</p><p>　　[y,t,x]=step(Lsys);</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　圖3.12 校正前的單位階躍響應(yīng)曲線</p>&

81、lt;p>　　階躍響應(yīng)系能指標(biāo)： 上升時(shí)間tr = 0.229s</p><p>　　峰值時(shí)間tp =0.558s</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間ts =12.8s</p><p>　　峰值幅值h（tp）=1.79</p><p>　　穩(wěn)態(tài)值 h(∞)= 1</p><p><b>　　超調(diào)量

82、 </b></p><p><b>　　=79</b></p><p><b>　　②校正后系統(tǒng)</b></p><p>　　系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　單位負(fù)反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為:</p><p>　　使用MATLAB求校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

83、的性能指標(biāo)代，代碼如下（3.11）：</p><p>　　num=500*[9.357,1]</p><p>　　den=[192,2204,6610,4890,500]</p><p>　　s1=tf(num,den);</p><p>　　Lsys=tf(num,den);</p><p>　　[y,t,x]=st

84、ep(Lsys);</p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　圖3.13 校正后的單位階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　階躍響應(yīng)系能指標(biāo)： 上升時(shí)間tr = 2.49s</p><p>

85、　　峰值時(shí)間tp =5.13s</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間ts =14s</p><p>　　峰值幅值h（tp）=1.072</p><p>　　穩(wěn)態(tài)值 h(∞)= 1</p><p><b>　　超調(diào)量： </b></p><p><b>　　心得體會(huì)</b>&l

86、t;/p><p>　　首先通過這次大作業(yè)，我明白了滯后網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串聯(lián)校正控制的基本原理。主要是利用滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值衰減特性，使已校正的系統(tǒng)截止頻率下降，從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度，即利用系統(tǒng)本身的能力，這是與超前校正截然不同的。而且，滯后網(wǎng)絡(luò)的最大滯后角應(yīng)力求避免發(fā)生在系統(tǒng)截止頻率附近。不僅如此，我還了解了各種校正方式的特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　同時(shí)我也意識(shí)到自動(dòng)控制原理的學(xué)習(xí)，不是

87、僅僅局限于學(xué)習(xí)課本上的一些理論知識(shí)，更重要的是將理論靈活并且變換的運(yùn)用到實(shí)際中，這樣才能學(xué)有所用，作為新一代的大學(xué)生，我們決不能走入死讀書的歧途，而學(xué)校組織學(xué)生進(jìn)行大作業(yè)，旨在加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力，將課本知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來，更好的加深對(duì)理論的掌握和運(yùn)用。大作業(yè)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，自動(dòng)化控制已經(jīng)成為當(dāng)今計(jì)

88、算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說得是無處不在。</p><p>　　其次通過起此次大作業(yè)，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)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(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。</p><p>　　總之，在這次大

89、作業(yè)過程中，我既學(xué)習(xí)到了自動(dòng)控制原理的知識(shí)，又學(xué)到了許多書本之外寶貴的分析動(dòng)手能力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2001 </p><p>　　[2]MATLAB 應(yīng)用 主編：王濤 出版社：大連理工大學(xué) 1998</p><