自动控制原理课程设计课件(第3版)

1自动控制原理课程设计题目01.单级移动倒立摆建模及串联超前校正02.单级移动倒立摆建模及串联PD校正03.单级移动倒立摆建模及串联PID校正04.位置随动系统建模与分析05.位置随动系统建模与频率特性分析06.位置随动系统的超前校正07.一类位置随动系统的滞后校正08.一类位置随动系统的滞后超前校正09.高阶系统的零、极点分析10.温度控制系统的分析与校正211.温度控制系统的滞后校正12.温度控制系统的滞后超前校正13.高阶系统的时域分析14.高阶系统的分析及离散化15.用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析16.P、PD和PID控制器性能比较17.参数变化时系统的稳定性分析18.太阳观测控制系统设计19.飞行器控制系统设计20.用MATLAB进行控制系统的超前校正设计21.用MATLAB进行控制系统的滞后校正设计22.用MATLAB进行控制系统的滞后－超前校正设计23.直流电机PI控制器参数设计324.温度控制系统校正环节设计25.直流电机PI控制器稳态误差分析26.直流电机补偿环节设计27.高阶系统性能分析28.单级移动倒立摆建模及串联PID校正29.单级移动倒立摆建模及串联PID校正30.转子绕线机控制系统的滞后校正设计31.转子绕线机控制系统的滞后校正设计32.转子绕线机控制系统的滞后校正设计33.转子绕线机控制系统的串联滞后超前校正设计34.转子绕线机控制系统的串联滞后超前校正设计35.燃油控制系统的超前校正设计36.用MATLAB进行控制系统的超前校正设计437.高阶系统性能分析38.温度控制系统的滞后超前校正39.单级移动倒立摆建模及串联PID校正5课程设计的目的课程设计进度安排求位置随动系统的数学模型一阶直线倒立摆问题第2章连续系统的数学模型第3章用ＭＡＴＬＡＢ求取时域响应第4章用MATLAB绘制系统的根轨迹第5章用MATLAB进行系统的频域分析仿真工具Simulink简介课程设计说明书与图纸要求6课程设计的目的本课程设计是《自动控制原理》课程的具体应用和实践，是自动化、电气工程及其自动化专业的专业基础课知识的综合应用，自动控制原理课程设计目的是培养学生理论联系实际的设计思想，训练综合运用控制理论和相关课程知识的能力;掌握自动控制原理中各种校正装置的作用及用法，根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标;学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试;锻炼同学们独立思考，动手解决问题的能力。7课程设计进度安排序号阶段内容所需时间（天）1布置题目、熟悉题目,收集资料，熟悉MATLAB软件12方案设计与论证、理论分析与计算33系统仿真14撰写课程设计报告25课程设计答辩0.5合计7.51月13日上交课程设计报告初稿,进行课程设计答辩。8课程设计说明书与图纸要求设计完成后，按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”，撰写课程设计报告一份，包括：设计题目、设计要求、设计方案、设计原理、设计分析与计算、仿真程序、仿真波形、结果分析、心得体会（不少于500字）、参考文献（不少于5篇）。课程设计报告用A4纸打印（不少于9页）。课程设计说明书装订顺序：封面→任务书→目录→中文摘要→正文→心得体会→参考文献→成绩评定表。9求位置随动系统的数学模型rcT1uSM放大器负载转动惯量JL粘性摩擦fLTGRaLaZ1Z2+-if+-uautu任务是控制机械负载，使其位置与输入手柄的位置相协调。10位置随动系统的方框图turmcuauu电桥放大器直流电机减速器测速机--11各元件微分方程:)(1)()()()()()()()()()]()([)(22tittukdttddttdTdttdktutuktutkttktumcammmmmttaacr减速器电机测速机放大器电桥12零初始条件下的拉氏变换:)(1)()()()()()()()()()(2sissuksssTssksusuksusksumcammmmttaa减速器电机测速机放大器电桥13各元件传递函数:isssGsTsksussGskssusGksususGkssusGmcmmamtmtaa1)()()()1()()()()()()()()()()()()(54321减速器电机测速机放大器电桥14由各元部件传递函数，消去中间变量，得系统的传递函数为：mmamtmammarciTkkksTkkksiTkkksss)1()()()(2meammCCfRCkmeaamCCfRJRTmC为转矩系数（牛·米/安）是反电势系数（伏/（弧度/秒））(La很小，可以忽略不计)eC15例:一长度为l，质量为m的单倒立摆，用铰链安装在质量为M的小车上，小车受电机操纵，在水平方向施加控制力u，相对参考坐标系产生位移x。要求建立该系统的线性数学模型－传递函数（以u为输入，为输出）。Muxlm一阶直线倒立摆问题16设小车瞬时位置为摆心瞬时位置为在水平方向，由牛顿第二定律即：在垂直方向：惯性力矩与重力矩平衡(sin)xlx2222(sin)dxdMmxludtdt2()cossinMmxmlmlu22(sin)cossindmxllmgldt17即:则有：联立求解：22coscossincossinxllg)Mmxmlu（xlg2)(1)()(MlsgMmsus项忽略很小时2,,1cos,sin18其等效动态结构图为:gMmMls)(12)(su)(s19第2章连续系统的数学模型2.1连续系统常用的数学模型及其转换1．微分方程及传递函数的有理分式模型)12()()()()()()()()(12)2(21)1(111)1(1)(tubdttdubdttudbdttudbtyadttdyadttydadttydnnnnnnnnnnnn)22()()()()()(1221112211sdensnumasasasbsbsbsbsUsYsGnnnnnnnn在MATLAB语言中，可以利用分别定义的传递函数分子、分母多项式系数向量方便地加以描述。例如对于（2-2）式，系统可以分别定义传递函数的分子、分母多项式系数向量为：nnnnaaaadenbbbbnum1211211),(dennumtfsys20[例2-1]已知系统传递函数为利用MATLAB将上述模型表示出来，并将其建立在工作空间中。642392)(234ssssssG解:21[例2-2]已知系统传递函数为利用MATLAB将上述模型表示出来。)835()2)(13()32(7)(322sssssssG解：其MATLAB命令为：num=7*[2,3];den=conv(conv(conv(conv([1,0,0],[3,1]),[1,2]),[1,2]),[5,0,3,8]);sys=tf(num,den)运行结果：Transferfunction:14s+2115s^8+65s^7+89s^6+83s^5+152s^4+140s^3+32s^2Conv:多项式乘法函数22232．传递函数的零极点增益模型)32()())(()())(()(2121nmzspspszszszsksG在MATLAB里，用函数命令zpk()来建立控制系统的零极点增益模型，或者将传递函数模型转换为零极点增益模型。zpk()函数的调用格式为：sys=zpk([z],[p],[k])mzzzz,21npppp,21函数返回的变量sys为连续系统的零极点增益模型。kk24[例2-3]已知系统传递函数为，利用MATLAB将上述模型表示出来。)1)(6.4()20(5)(sssssGk=5;z=-20;p=[0,-4.6,-1];sys=zpk([z],[p],[k])结果：Zero/pole/gain:5(s+20)---------------s(s+4.6)(s+1)解：253.零极点增益模型转换为传递函数模型用法举例：)5)(2)(1()3(6)(sssssG》z=[-3];p=[-1,-2,-5];k=6;》[num,den]=zp2tf(z,p,k);》g=tf(num,den)》Transferfunction:6s+18-----------------------s^3+8s^2+17s+10结果：261.反馈连接：feedback格式：[num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2,sign)％反馈连接，将系统1的指定输出out1连接到系统2的输入，系统2的输出连接到系统1的指定输入inp1，以此构成闭环系统。sign缺省时，默认为负反馈，即sign=-1。2.闭环单位反馈连接：cloop格式：[numc,denc]=cloop(num,den,sign)％表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统，sign意义与上述相同。2.2求闭环系统的传递函数27用法举例：【例】已知反馈系统框图如图所示，试求系统的传递函数C(s)/R(s)。s115.04.0s141s)(sR)(sC16112ss28n1=1;d1=[1,0];g1=tf(n1,d1);n2=0.4;d2=[0.5,1];g2=tf(n2,d2);n3=1;d3=[4,1];g3=tf(n3,d3);n4=[12,1];d4=[6,1];h=tf(n4,d4);g=g1*g2*g3;sys=feedback(g,h,-1)Transferfunction:2.4s+0.4----------------------------------------12s^4+29s^3+10.5s^2+5.8s+0.4结果：293.1ＭＡＴＬＡＢ中连续系统模型表示方法3.2求连续系统的单位脉冲响应3.3求连续系统的单位阶跃响应3.7控制系统稳定性分析的MATLAB实现第3章用ＭＡＴＬＡＢ求取时域响应3.4求系统单位阶跃响应动态性能指标3.5求系统单位斜坡响应3.6求系统单位抛物线输入响应303.1ＭＡＴＬＡＢ中连续系统模型表示方法１、连续系统多项式模型nnnnmmmmasasasabsbsbsbsRsCsG11101110......)()()(ＭＡＴＬＡＢ表示方法分子多项式num=[b0,b1,…bm-1,bm]分母多项式den=[a0,a1,…an-1,an]建立传递函数模型:sys=tf(num,den)31２、连续系统零极点模型)())(()())(()()()(2121nmpspspszszszsksRsCsGＭＡＴＬＡＢ表示方法:比例系数:k＝k分子:z=[-z1,-z2,…,-zm]分母:p=[-p1,-p2,…,-pn]建立零极点传递函数模型:sys=zpk(z,p,k)模型转换:［num,den]=zp2tf(z,p,k)323.2连续系统的单位脉冲响应例1：求如下系统的单位脉冲响应6106.05572.00395.59691.1)()()(2ssssRsCsnum=[1.9691,5.0395]den=[1,0.5572,0.6106]impulse(num,den)在ＭＡＴＬＡＢ的Ｅditor/Debugger输入程序在ＴＯＯＬＳ菜单中选择ＲＵＮ得到结果33Time(sec.)AmplitudeImpulseResponse05101520-2-1012345From:U(