绘制与分析

2011届毕业设计(论文)题目：Nyquist图绘制与分析专业班级：2007自动化03班学号:0704020307姓名：江坤指导教师：陈杰教授学院名称：电气信息学院2011年5月20日附件1：扉页自动控制原理实验设计——Nyquist图绘制与分析DesignofAutomaticControlTheoryExperiment-MappingandanalysisofNyquist学生姓名:江坤指导教师:陈杰教授摘要第一章绪论从20世纪以来，特别是第二次世界大战以来，自动控制科学和技术迅速发展。自动控制极大地提高了社会的劳动生产率，极大地提高了产品和服务的质量，极大地推动了社会生活的进步。在军事上，自动控制极大地提高了武器的精确度和杀伤力。在工业和农业、交通运输、航天、核能、医疗、军事等方面，自动控制都是不可缺少的。下面举几个例子。在往复式轧钢机中，在钢材往复地两次通过轧辊的短暂时间间隔里，一方面要使辊道停下，把钢材拨正，再使辊道反转，把钢材反向送入轧辊；另一方面又要使轧辊及时停转并反向，达到正确转速；同时还必须把上下两个轧辊之间的辊距按照工艺要求调到正确数值，方能迎接反向而来的钢材。自动控制技术保证所有这些动作互相配合，迅速完成。在人工操作时，由于很难配合得紧密，因而常造成钢材或轧辊的等待。采用自动控制后如果每一个轧程能少等待1秒钟，一台轧钢机一年就能多生产上万吨钢材。工业加热炉的炉温应当按照生产工艺要求维持在一定的数值。但是炉的热负荷经常在变化(例如常常要打开炉门取出已加热的工件和送入冷的工件)，在这种条件下要靠自动控制技术准确控制炉温，保持炉温的误差很小。而靠人力调整则难以做到，从而会造成能源的浪费甚至影响产品质量。在一个电网中，输电的功率主要是受限于输电的稳定性。发电厂因受稳定性限制而不能满负荷发电的情形，在我国和外国都是常见的。采用先进自动控制技术提高输电的稳定性，保证发电厂尽量多发电，具有极大的经济意义。核能是当今世界上最新和前途最广阔的能源。全球核电站的总装机容量已超过1×106MW。核反应堆的自动控制对于核电站安全运行的决定性意义是不言而喻的。现代战争普遍使用威力强大的制导武器。超音速的防空导弹能自动进行复杂的数学计算，以极高的精确度自动跟踪正在按复杂轨道运行的敌方高速飞行器，迅速摧毁目标。人们每年都把许多重量达到吨级的人造地球卫星准确送入位于数百千米乃至数万千米高空的预先计算好的轨道，并一直保持其姿态正确，也就是使它的太阳能电池帆板保持指向太阳，使它的无线电天线保持指向地球。这只有依靠先进的自动控制技术才能做到。然而在国际形势日益复杂、科学技术日益进步的今天，人造地球卫星和宇宙飞船已经不能完全满足需要，近年来出现的“空天飞行器”要求既能在大气层外飞行，又能在返回大气层以后转为像飞机那样自主地高速航行，而不像人造卫星或宇宙飞船那样在返回大气层以后只能被动地降落地面。研制这种“空天飞行器”必须解决的技术难题之一就是智能自主控制技术。总而言之，自动控制是现代世界应用最广泛和最不可缺少的一门科学技术。可以毫不夸张地说，没有自动控制，就没有现代化的社会生活。控制理论的发展自动控制的萌芽：自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。近几十年来，自动控制技术正在迅猛地发展，并在农工业生产、交通运输、国防建设和航天、航空事业等领域中获得广泛的应用。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。所谓自动控制（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。或使它的某些物理量（称为被控量）按预定的要求产生变化。发展历程：1.经典控制理论时期（1940-1960）主要解决单输入－单输出定常控制系统分析设计问题。主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。公元前1500年，埃及人（Egyptians）和巴比伦人（Babylonian.）发明了世界上最早的计时器－水钟，又称漏刻、漏滴、漏壶或漏等。1642年，法国物理学家帕斯卡（B.Pascal）发明了第一台机械式十进制加法器，解决了自动进位这一关键问题，也第一次确立了计算器的概念，因此他被公认为制造机械计算机的第一人。1657年，荷兰科学家惠更斯（C.Huygens）应用伽利略（G.Galilei，1564-1642）的理论设计了钟摆，在他的指导下年轻的钟匠考斯特（S.Coster）成功地制造了第一个摆钟。研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设计》，奠定了控制理论的基础;1942年哈里斯引入传递函数；1948年伊万恩提出了根轨迹法；1949年维纳关于经典控制的专著。经典控制理论主要是解决单输入单输出控制系统的分析与设计，研究对象主要是线性定常系统。它以拉氏变换为数学工具，以传递函数、频率特性、根轨迹等为主要分析设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。简单地可概括为一个函数（传递函数）两种方法（频率响应法和根轨迹法）。主要特点：1、它是一套工程实用的方法，许多工作可用作图法来完成；2、物理概念清晰，在分析和设计时便于联系工程实际作出决定，减少盲目性；3、可用实验方法建立系统的数学模型。2.现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）现代控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。系统具有高精度和高效能的特点。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（Bellman）及卡尔曼（R.E.Kalman，1930～）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。主要的模型形式：状态空间法（StateSpaceMethod）主要发展过程：1892年，俄国数学家李雅普诺夫(A.M.Lyapunov，1857-1918)创立的稳定性理论被引用到控制理论中。1892年，俄国数学力学家李亚普诺夫（A.M.Lyapunov，1857-1918）发表的博士论文“TheGeneralProblemoftheStabilityofMotion”，给出了稳定性概念的严格数学定义，并提出了解决稳定性问题的一般方法——李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法。该方法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设计，从而奠定了稳定性理论的基础。这一时期，研究工作的重点是系统的稳定性和稳态偏差，采用的数学工具是微分方程解析法，它们是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论的时间域方法，简称时域法。1953年，前苏联工程师费尔德鲍曼（A.A.Feldbaum）提出了Bang-Bang（开关）控制。1956年，前苏联数学家庞特里亚金（Pontryagin）受到费尔德鲍曼研究工作的启发，提出了著名的极大值原理（MaximumPrinciple）。美国数学家贝尔曼（RichardBellman,1920-1984）创立了动态规划（DynamicProgramming）。1959年美国数学家卡尔曼提出了著名的卡尔曼滤波器。1960年卡尔曼又提出系统可控性和可观性两个重要概念，揭示了系统的内在属性。研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。并推动了控制理论的发展。特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。3.大系统控制时期（1970s-）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。3.智能控制时期以人工智能为基础，研究复杂对象(车间、工厂、集团)、复杂任务、复杂环境。是控制理论在深度上的挖掘。智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。管理和控制一体化:计算机集成制造系统，复杂控制系统。这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。特点：人工智能、神经网络等的普遍研究和应用到自动控制之中。控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计发展概况第一阶段：60～70年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。第二阶段：70～80年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。第三阶段：80中期开始，产生仿真软件MATLAB—控制系统计算机辅助设计仿真系统。控制系统计算机辅助设计的主要内容计算机辅助建立系统模型数学模型表示方式之间的相互转换计算机辅助分析和设计控制系统MATLAB仿真软件MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算机仿真软件MATLAB。它是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境，已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。MATLAB更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课题和数学模型问题。第二章典型环节典型环节伯德图：1.比例环节传递函数频率特性：（1）（2）奈氏图Bode图KsXsXsWrc)()()(KjW)(()20lg20lg0LAK2.惯性环节传递函数：频率特性：（1）（2）奈氏图Bode图()1()()1crXsWsXsTs222211()111TWjjjTTTarctan2211jTeT22221()20lg()20lg20lg11()arctanLATTT3.积分环节传递函数：频率特性：（1）（2）奈氏图Bode图4.微分环节()1()()crXsWsXss211()0jWjje