MATLAB自控课程设计

自动控制原理课程设计专业：测控技术与仪器设计题目：控制系统的综合设计学生姓名：班级：学号：指导教师：分院院长：教研室主任：电气工程学院摘要用MATLAB进行控制系统的超前校正设计是对所学的自动控制原理的初步运用。本课程设计首先针对校正前系统的稳定性能，用MATLAB画出其根轨迹、奈奎斯特曲线及伯德图进行分析，是否达到系统的要求，然后对校正装置进行参数的计算和选择，串联适当的超前校正装置。最后用MATLAB对校正前后的系统进行仿真分析，校正后的系统是否达到要求，并计算其时域性能指标。最后通过硬件连接检测出串联校正前后的伯德图，对MATLAB产生图形进行检测。关键词：MATLAB校正前系统校正后系统伯德图。目录目录第一章自动控制原理课程介绍........................................................................11.1自动控制原理.........................................................................................11.2自动控制理论.........................................................................................11.3自动控制系统.........................................................................................11.4课程设计主要内容.................................................................................21.5该课程设计涵盖的基本知识点.............................................................2第二章MATLAB概述......................................................................................3第三章课程设计理论基础................................................................................43.1设计内容.................................................................................................43.2设计要求.................................................................................................53.3理论计算.................................................................................................5第四章用MATLAB-SIUMLINK进行仿真分析.............................................84.1MATLAB仿真设计...............................................................................84.2SIUMLINK仿真分析...........................................................................11第五章硬件设计与检测..................................................................................15课程设计总结....................................................................................................18参考文献............................................................................................................19附录:校正后硬件电路连接图..........................................................................20第一章自动控制原理课程介绍1第一章自动控制原理课程介绍1.1自动控制原理自动控制（原理）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。1.2自动控制理论自控是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。1.3自动控制系统为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。第一章自动控制原理课程介绍21.4课程设计主要内容该课程是自动控制理论的基础，其主要内容包括：自动控制系统的基本组成和结构、自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型（连续、离散、线性、非线性等）及特点、自动控制系统的分析（时域法、频域法等）和设计方法等。通过本课程的学习，学生可以了解有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等。1.5该课程设计涵盖的基本知识点1．简单物理系统的微分方程和传递函数的列写和计算；2．方框图和信号流图的变换和化简；3．开环传递函数与闭环传递函数的推导和计算；4．线性连续系统的动态过程分析；5．代数稳定判据及其在线性系统中的应用；6．根轨迹的基本特性及典型系统根轨迹的绘制；7．用根轨迹分析系统的动态性能和稳定性；8．波德图和奈奎斯特图的绘制；9．奈奎斯特稳定判据及应用；10．用开环频率特性分析系统的主要动态和静态特性；11．校正的基本原理及设计方法；12．简单非线性控制系统分析的描述函数分析方法及相平面方法；13．采样系统的分析及校正的基本方法。第二章MATLAB概述3第二章MATLAB概述MATLAB俗称“矩阵实验室”，是MatrixLaboratory的缩写。1984年由美国MathWorks公司研制开发，以矩阵计算为基础的交互式的功能强大的科学及工程计算软件。首创者是在数值线性代数领域颇有影响的Cleve博士。他也是生产经营MATLAB产品的MathWorks公司的创始人之一。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一块，并提供了大量的内置函数，从而使其广泛应用于数学计算和分析、自动控制、系统仿真、数字信号处理、图形图像分析、数理统计、人工智能、虚拟现实技术、通讯工程、金融系统等领域。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。因此，MATLAB是面向21世纪的计算机程序设计及科学计算语言。用MATLAB进行控制系统的超前校正设计是对所学的自动控制原理的初步运用。本课程设计针对校正前系统的稳定性能，用MATLAB画出其根轨迹、奈奎斯特曲线及伯德图进行分析，是否达到系统的要求，然后对校正装置进行参数的计算和选择，串联适当的超前校正装置。最后用MATLAB对校正前后的系统进行仿真分析，校正后的系统是否达到要求，并计算其时域性能指标。最后通过硬件连接检测出串联校正前后的伯德图，对MATLAB产生图形进行检测。第三章课程设计理论基础4第三章课程设计理论基础3.1设计内容针对二阶系统:)1()(ssKsW（3-1）利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S接通时为超前校正装置，其传递函数:11)(TsTsKsWcc（3-2）其中:132RRRKc，1)(132432RRRRR,CRT4.其中:“-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。图3-1有源串联超前校正网络R1+urucR0R2R3R4CS第三章课程设计理论基础53.2设计要求1.引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差1.0)(e，开环截止频率c’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°；2.根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数；3.设校正装置R1=100K，R2=R3=50K，根据计算结果确定有源超前校正网络元件参数R4、C值；4.绘制引入校正装置后系统电路原理图（设给定的电阻和电容：R=100K，C=1F、10F若干个）；5.利用MATLAB仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线,并验算设计结果；6.在Matlab-Simulink下建立系统仿真模型，求校正前、后系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较；7.利用自动控制原理实验箱来完成硬件系统设计，包括：搭建校正前后系统电路、输入阶跃响应信号并通过示波器观察校正前后系统输出响应曲线。3.3理论计算当开关S断开时，求原模拟电路的开环传递函数G(s)。惯性环节：)1(16561SCRRRW（3-3）积分环节：SCRW2721（3-4）)1(1)(16276621SCRSCRRRWWsWK（3-5）第三章课程设计理论基础6闭环传递函数为：1010)(1)()(2sssGsGsWb（3-6）由闭环传递函数的标准形式：2222)(nnnbsssW（3-7）得出：162.310n158.021nstns63%)5(stns84%)2(幅值穿越频率Wc由传递函数可知：110)(ccCA2.3c相位裕量:4.172.390180)(1tgc由于截止频率和相位裕量都小于要求值，故采用超前校正较为合适。根据系统开环截止频率c’≥4.4，相位裕量γ’≥45°设超前校正装置传递函数为：1Ts1Ts)s(Gc，1（3-8）微分校正装置的最大相位移应为：6.274.1745max考虑c’c，则原系统相位移将更负些，则取35,c则:3511arcsinmaxdd即57.01135sindd