华蛀电力$芳课程设计（综合实验）报告（2013 一 2014年度第1学期）名称：课程或实验名称题目：自动控制理论A课程设计院系：控制与计算机工程学院班级：创自1201班学号：1121190324学生姓名：张楠霞指导教师：袁桂丽设计周数：一周成绩：日期：2015年01月 23 H自动控制理论A课程设计任务书一、目的与要求本次课程设计是在学完自动控制理论课程后进行的。详细介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法以及SIMULINK仿真软件，使学生能够应用MATLAB对自动控制理论课程所学的内 容进行深层次的分析和研究，能用MATLAB解决复杂的自动控制系统的分析和设计题目；能 用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标；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，进行控制系统设计。二、主要内容1、简要介绍控制系统理论的基本概念和基本方法，并介绍MATLAB软件的基本知识。包括MATLAB的基本操作命令、数据结构、矩阵运算、编程算法等；简要介绍MATLAB的控 制系统工具箱的用法。包括控制系统的模型及相互转换、时域分析方法、频域分析方法等应 用MATLAB工具箱进行分析研究，増强理解，简要介绍SIMULINK仿真软件，介绍SIMULINK 的应用方法及各种强人功能，应用SIMULINK对系统进行仿真研究;简要介绍控制系统分析与 设计所必须的工具箱函数，包括模型建立、模型变换、模型简化、模型实现、模型特性、方 程求解、时域响应、频域响应、根轨迹等各个方面。2、在掌握控制系统基本理论和控制系统工具箱函数的基础上，利用MATLAB及其工具 箱函数来解决所给控制系统的分析与设计问题,并上机实验;撰写课程设计报告。2.1、自选单位负反馈系统，开坏传递函数0（S）一个三阶或以上系统。2、绘制闭环系统单位阶跃响应曲线。2、求出系统动态性能指标。3、绘制对数幅频、相频特性曲线，并求出频域指标。2.2、采用串联校正，校正装置传递函数G，s）。2、Gc（s） = Kc,绘制Kc由co的根轨迹，绘制Kc取三个不同数值时单位 阶跃响应曲线，并求出相应动态性能指标，试分析随着尺。的变化，系统稳定性、动态性能、 稳态性能有何变化。2、采用频率校正法进行设计，可以给时域性能指标要求，也可以给频域性能指 标，要既有稳态性能要求，也要有动态性能要求，若单独超前校正或滞后校正不满足要求, 可采用滞后超前校正。要熟悉超前校正、滞后校正及滞后超前校正的原理，使用条件，并对 校正后的效果进行合理的分析。3、采用其它的方法如：反馈校正，复合校正，串联工程法，串联综合法（希望 特性法）进行设计等，最好采用频率校正和另外一种校正方法对比研究。2.3、绘制校正前后系统单位阶跃响应曲线对比图，根轨迹对比图、伯德图对比图，并 求出系统动态性能指标。2.4、根据校正前、后时域、频域性能指标分析得出结论，按自己所作课程设计的内容 撰写课程设计报告。3、考核。三、进度计划序号设计内容完成时间备注1卞发课程设计任务书，介绍课程设计的要求，介绍MATLAB软件及控制系统工具箱用法的基本知识。1月19 口上午（周一上午）2利用MATLAB软件按任务书的要求进行控制系统分析和 校正设计，并撰写设计报告。1月22日（周四）3带着自己的课程设计报告参加答辩1月23日（周五）四、设计成果要求1、按自己所作课程设计的内容撰写课程设计报告，要求图、表、公式等书写打印规范。2、可以最后写一些总结、课程设计的心得体会以及你对课程设计的一些意见及建议。五、考核方式本课程设计周最后一天带课程设计报告进行答辩，课程设计的成绩将根据课程设计过程 中的表现，课程设计报告的书写情况，答辩情况综合给出。学生姓名：张楠霞指导教师：袁桂丽2015 年 1 月 13 13(一) 单位负反馈系统，开环传递函数为：G0(s) = s(s+2j(s+5j1. 绘制闭环系统单位阶跃响应曲线。2. 求出动态性能指标。3. 绘制对数幅频、相频特性曲线，求出频域性能指标(二) 采用串联校正装置，校正装置的传递函数为)Gc(s)o1. Gc(s) =KC ,绘制忑由08的根轨迹，绘制忑取三个不同 数值时单位阶跃响应曲线，并求出相应动态性能指标，试分析随着联 的变化，系统稳定性、动态性能、稳态性能有何变化。2. 采用频率校正法进行设计，要求满足(1)截止频率 4.5rad/s.相角裕度r(Wc) 35O并对校正后的效果进行合理的分析：绘制(2)校正后的对数幅 频、相频特性曲线，并求出频域指标。3. 采用其它的方法如：反馈校正，复合校正，串联工程法， 串联综合法(希望特性法)进行设计等,最好采用频率校正和另外一 种校正方法对比研究。解题过程1、系统的时域和频域分析用mat lab编程画出系统的单位阶跃响应曲线、bode图以及 nyquist图，程序如下:gO=zpk(z 0 -2 -5,50);g0b=feedback(g0z1);time=0:0 01:50;step (gOb, time);务单位阶跃响应曲线grid;figure (2);bode (gOf 0.001,100)沁bode图grid;figure (3);margin (gO);H, R, Wchz Wcr =margin (gO) ; %标注了幅值裕度、相角裕度、截止频率、穿越频率 figure (4);nyquist (gO) ; %奈氏曲线 jzhH =1.400000000000001R =9. 006491020150435Wch 二3.16227766018380Wcr =2. 655816443941074TSystem: gObTime (seconds): 1.29 Amplitude: 1.74System: g ObTime (seconds): 15.3 Amplitude: 1.05系统单位阶跃响应曲线如图(1)所示：System: gObTime (seconds): 0.701 Amplitude: 0.9图(1)图中可以看出时域动态性能指标:上升时间tr=0. 701S峰值时间tp二1. 29s调节时间ts二15. 3s超调量6%二74%001o o o o5 5 o- 1 spn=u詈3580IfIlli40 12dB_一一一k 一*4dB6dB10dBIlliIB-2 dB4dB-6dB-10dB-/If,1 1 1 1iiiiNyquist Diagram-3-2.52-1.51-0.500.511.52Real Axis5432101234 2XV XJeuroelu-图(2-a)校正前奈氏曲线Bode DiagramGm = 2.92 dB (at 3.16 rad-s) , Pm = 9.01 deg (at 2.66 rads)270102-io10 10101 102 1035Frequency (rad/s)图(2-b)校正前bode图由上可知频域指标如下:Gm=3. 92dB , H=l. 40%幅值裕度R二9. 0065deg%相角裕度Wch=3. 1623rad/s%穿越频率Wcr=2. 66rad/s%截止频率2、串联校正Gc(s)1)、Gc(s)=Kc,分别取Kc二0. 01、0.5、3.0三个值，编程画出校正后单位阶跃响应曲线，程序如下：time=0:0 01:200;Kc=0 01;g0=zpk(z 0 -2 -5z50*Kc);g0b=feedback (g0z1);figure (1);step (g0bz time) ;%Kc=0.01时，校正后系统单位阶跃响应grid;Kc=0 5;g0=zpk(z 0 -2 -5z50*Kc);g0b=feedback (g0z1);figure (2);time=0:0 01:50;step (g0bz time) ;%Kc=0.5时，校正后系统单位阶跃响应grid;Kc=3;g0=zpk(z 0 -2 -5z50*Kc);g0b=feedback(g0z1);figure (3);time=0:0.01:100;step (g0bz time) ;%Kc=3时，校正后系统单位阶跃响应Step ResponseSystem: gObne (seconds): 45.1 iplitude: 0.9TirAnf 1/020406080100120140160180200Time (seconds)图(3) Kc=0. 01时，单位阶跃响应曲线 上升时间tr二45. Is峰值时间tp不存在调节时间ts不存在超调量6%不存在b)Kc二0. 5时，校正后单位阶跃响应曲线Sts图(4) Kc=0. 5时，单位阶跃响应曲线上升时间匚二1. 01s峰值时间tp二1. 7s调节时间ts二5. 45s超调量6%二43%1 1 1 1 1III6System: gObATime (sec on ds): 99.34Amplitude: 7.53e+22 -2n-d-2-4-6-8System: gObTime (seconds): 100-10Amplitude: -1.14e+231 1 1 1 1. . . . x io22Step Response801020304050607080901 00Time (seconds)图(5) Kc二3时，单位阶跃响应曲线上升时间tr二不存在峰值时间tp=100s调节时间ts二不存在超调量6%=NanKc取不同值时，校正后系统单位阶跃响应时域动态性能指标比较如下：表(1)： Kc取不同值时单位阶跃响应时域的动态性能参数Kc=0. 01Kc=0.5Kc=l(同校正前)Kc=3上升时间tr(s)41.51.010.701不存在峰值时间tp (s)无1. 71.29100调节时间ts(s)无5. 4515.3不存在超调量6%043%74%Nan由表(1)可知：随着