《自动控制理论》课程设计-基于自动控制理论的性能分析与校正.doc
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1、科技学院课程设计报告( 2011- 2012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: 动力工程系 班 级: 自动化09K1 学 号: 学生姓名: 指导教师: 设计周数: 1周 成 绩: 日期: 2012 年 1 月 6 日一、 课程设计的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。
2、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。二、 主要内容1前期基础知识,主要包括MATLAB系统要素,MAT
3、LAB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
4、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。三、 进度计划序号设计内容完成时间备注1基础知识、数学模型2011年12月31日2时域分析法、频域分析、根轨迹分析2012年1月4日3系统校正2012年1月5日4整理打印课程设计报告,并答辩2012年1月6日四、 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
5、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。五、 考核方式自动控制理论课程设计的成绩评定方法如下: 根据1打印的课程设计报告。2独立工作能力及设计过程的表现。3答辩时回答问题的情况。成绩评分为优、良、中、及格以及不及格5等。 学生姓名: 指导教师: 2012年 1 月 6 日六、设计正文1、控制系统模型:(1)已知一并联系统,其中=,求此并联系统的传递函数。程序:G1=tf(1 3,conv(conv(1 1,1 1),1 2);G2=tf(3 1 4,5 12 3);G=G1+G2运行结果:Transfer function:3 s5 + 13 s4 + 28 s3
6、+ 54 s2 + 61 s + 17-5 s5 + 32 s4 + 76 s3 + 82 s2 + 39 s + 6结论:G(s)=(2)求一系统的传递函数。已知其微分方程为:程序: num=1 9 25;den=1 5 10 5;G=tf(num,den)运行结果: Transfer function: s2 + 9 s + 25-s3 + 5 s2 + 10 s + 5结论:2、控制系统的时域分析法:(1)已知单位负反馈系统的开环传递函数(S)=,求单位阶跃响应及性能指标。程序:num=15;den=1 3 1;num1,den1=cloop(num,den,-1);step(num1,
7、den1)运行结果:结论:系统稳定。调节时间为3.5s。(2)已知特征方程,求根并判断稳定性。程序:d=2 1 5 3 1;r=roots(d)运行结果:r = 0.0712 + 1.5416i 0.0712 - 1.5416i -0.3212 + 0.3268i -0.3212 - 0.3268i结论:系统不稳定,有2个特征根在右半平面上。3、控制系统的根轨迹分析法:(1)负反馈系统开环传递函数为Error! No bookmark name given.试绘制k变化时,求其闭环系统的根轨迹。程序:num=conv(1 4,1 5);den1=conv(1 10,1 10);den2=con
8、v(1 0,1 0);den=conv(den1,den2);rlocus(num,den)运行结果:结论:根轨迹如上图所示(2)系统开环传递函数为:,绘制一般根轨迹。程序:num=1 4;den=conv(1 0,1 3);rlocus(num,den)运行结果:结论:根轨迹如上图所示。4、控制系统的频域分析法:(1)已知一单位负反馈系统,其开环传递函数为G(s)=,用Nyquist判据判断其稳定性。程序:num=1 42;den=-1 0 1;nyquist(num,den)运行结果:结论:系统Nyquist曲线如图所示,它不包围(-1,j0)点,但右半平面开环极点p=1,根据奈氏判据,右
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