《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

课程设计报告(2008--2009年度第2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：自动化专业07K3学号：071912010334学生姓名：聂和兵指导教师：魏乐设计周数：1周成绩：日期：2009年7月8日《自动控制理论》课程设计任务书一、设计题目基于自动控制理论的性能分析与校正二、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。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CONTROLSYSTEM工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。三、主要内容1．前期基础知识，主要包括MATLAB系统要素，MATLAB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。四、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7月3日2时域分析法、频域分析7月4日3根轨迹分析7月5日4系统校正7月6日5整理打印课程设计报告7月7日6答辩7月8日五、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、滞后校正一道、频域法超前校正一道、滞后校正一道。并针对上机情况整理课程设计报告。课程设计报告以WORD电子文档形式提交，文件名为班级学号姓名。课程设计报告包括题目、解题过程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。六、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．电子文档形式的课程设计报告。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：聂和兵指导教师：2009年7月8日A控制控制系统模型1、已知负系统的前向通路传递函数为G(s)=)5*32^)(1()6(3ssss，反馈通路传递函数为H(s)=)115()15(ss,在MATLAB环境下获得其连续传递函数形式模型。G=tf([318],conv([11],[135]))H=tf([51],[151])T=feedback(G,H)T1=zpk(T);[n,d]=tfdata(T,'v')[z,p,k]=zpkdata(T,'v')figure(1);pzmap(T);title('零极点图')K=dcgain(T)figure(2);step(T,30);title('阶跃响应')figure(3);impulse(T,15);title('脉冲响应')figure(4);T1=tf(1,[10]);T2=T1*T;step(T2,12);title('斜坡响应')figure(5);t=0:0.1:10;lsim(T,sin(t),t);title('正絃响应')figure(5);t=0:0.1:10;lsim(T,cos(t),t);title('余絃响应')Transferfunction:3s+18---------------------s^3+4s^2+8s+5Transferfunction:5s+1--------15s+1Transferfunction:45s^2+273s+18--------------------------------------15s^4+61s^3+139s^2+176s+23n=004527318d=156113917623z=-6.0000-0.0667p=-0.8891+2.0231i-0.8891-2.0231i-2.1418-0.1466k=3K=0.7826零极点图RealAxisImaginaryAxis-6-5-4-3-2-10-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.505101520253000.20.40.60.811.21.41.61.82阶跃响应Time(sec)Amplitude051015-0.500.511.52脉冲响应Time(sec)Amplitude024681012051015斜坡响应Time(sec)Amplitude012345678910-2-1.5-1-0.500.511.52正絃响应Time(sec)Amplitude012345678910-2-1.5-1-0.500.511.52余絃响应Time(sec)Amplitude2.求一传递函数G(s)=)6)(1352(523222ssssss的零极点及其增益，并求其拉式逆变换。G=tf([325],conv([2513],[116]))[z,p,k]=zpkdata(G,'v')[r,p,o]=residue([325],conv([2513],[116]))symss;H=sum(r./(s-p))h=ilaplace(H)step(G,16)Transferfunction:3s^2+2s+5----------------------------------2s^4+7s^3+30s^2+43s+78z=-0.3333+1.2472i-0.3333-1.2472ip=-1.2500+2.2220i-1.2500-2.2220i-0.5000+2.3979i-0.5000-2.3979ik=1.5000r=-0.3654-0.2618i-0.3654+0.2618i0.3654+0.0441i0.3654-0.0441ip=-1.2500+2.2220i-1.2500-2.2220i-0.5000+2.3979i-0.5000-2.3979io=[]H=(-19/52-4716156920120833/18014398509481984*i)/(s+5/4-5003608633227365/2251799813685248*i)+(-19/52+1179039230030209/4503599627370496*i)/(s+5/4+5003608633227365/2251799813685248*i)+(19/52+3178375326749789/72057594037927936*i)/(s+1/2-5399626265330703/2251799813685248*i)+(19/52-3178375326749789/72057594037927936*i)/(s+1/2+5399626265330703/2251799813685248*i)h=(-19/26+3/18014398509481984*i)*exp(-5/4*t)*cos(5003608633227365/2251799813685248*t)+9432313840241669/18014398509481984*sin(5003608633227365/2251799813685248*t)*exp(-5/4*t)+19/26*exp(-1/2*t)*cos(5399626265330703/2251799813685248*t)-3178375326749789/36028797018963968*sin(5399626265330703/2251799813685248*t)*exp(-1/2*t)0246810121416-0.0200.020.040.060.080.10.120.14StepResponseTime(sec)AmplitudeB不控制系统的时域分析法1，已知二阶系统的传递函数为G（s）=2222wnwnsswn,wn=6,求ζ=0.1，0.3，0.4，0.5……2时的阶跃脉冲斜坡响应曲线和cossin曲线。wn=6;fore=0.1:0.1:2figure(1);step(wn^2,[12*e*wnwn^2],9);holdon;title('阶跃')figure(2);impulse(wn^2,[12*e*wnwn^2],9);holdon;title('脉冲')G=tf(wn^2,[12*e*wnwn^2]);figure(3);t=0:0.1:20;lsim(G,cos(t),t);holdon;title('cos曲线')figure(4);t=0:0.1:20;lsim(G,sin(t),t);holdon;title('sin曲线')figure(5);step(wn^2,conv([10],[12*e*wnwn^2]),12);holdon;title('斜坡曲线')end012345678900.20.40.60.811.21.41.61.8阶跃Time(sec)Amplitude0123456789-4-3-2-10123456脉冲Time(sec)Amplitude02468101214161820-1.5-1-0.500.511.52cos曲线Time(sec)Amplitude02468101214161820-1.5-1-0.500.511.5sin曲线Time(sec)Amplitude024681012024681012斜坡曲线Time(sec)Amplitude2，给出一个稳定的开环系统：G(s)=)7)(3()1(*100ssas观察不稳定零点对系统阶跃和脉冲曲线的影响。fora=1:10G=zpk(1/a,[-3-7],100)figure(1);step(G,3.5);holdon;title('阶跃');holdon;figure(2);impulse(G,2.1);holdon;title('脉冲');holdon;end00.511.522.533.5-6-4-202468阶跃Time(sec)Amplitude00.20.40.60.811.21.41.61.82-20020406080100脉冲Time(sec)AmplitudeC控制系统的根轨迹分析1，给出一个系统的开环传递函数G（s）=)20)(16)(5)(2()5(sssssk。（1）求根轨迹；（2）求根轨迹分离点的值K1；（3）求阻尼比ξ=0.7时主导极点的K2值，并绘制此时系统阶跃脉冲响应。Selectapointinthegraphicswindowselected_point=-2.0379-0.0155iK1=60.3371c=-20.3314-11.4835-2.1449-2.0401Selectapointinthegraphicswindowselected_poin