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控制系统计算机仿真大论文指标点
1.
54.
24.
45.
15.
25.3总分得分评阅人
1.课程目标1理解自动控制系统的概念及其在自动化工程中的体现,能对自动化复杂控制系统进行稳定性分析,时域分析,根轨迹法及频域分析,并能针对复杂的自动化系统进行建模和控制算法设计(对应毕业要求指标点
1.5)
2.课程目标2理解自动控制原理及现代控制理论等理论基础,能够根据控制对象特征,选择合适的控制系统校正方法,并进行有效的系统设计(对应毕业要求指标点
4.2)
3.课程目标3掌握__TLAB软件中关于控制系统建模和控制算法设计的相关操作,能够根据需要完成程序编译及控制效果图的展示,能够进行正确的实验数据处理和分析,并对实验结果进行分析和解释,获得控制系统参数如何影响其控制性能等的有效结论(对应毕业要求指标点
4.4)
4.课程目标4掌握控制科学的仿真软件__TLAB的基本操作,能针对复杂的自动化系统进行建模,实现各种模型之间的转换及模型连接,掌握系统预测与模拟仿真方法(对应毕业要求指标点
5.1)
5.课程目标5理解复杂控制系统模拟仿真与预测方法的局限性(对应毕业要求指标点
5.2)
6.课程目标6针对自动化复杂工程的控制问题,能提出串级控制、前馈控制、反馈速度控制等多种解决方案,并确定满足性能指标要求的控制器设计,能在__TLAB软件中建立合理的控制算法,完成控制器的设计和仿真分析(对应毕业要求指标点
5.3)姓名学号班级序号目录TOC\o1-4\h\z\u
1、__TLAB软件在控制系统仿真中的应用现状及其发展前景1摘要1ABSTRACT
21.
1、__TLAB简介
31.
2、Simulink简介
42、复杂控制系统稳定性、时域分析、根轨迹题
52.1题目汽车速度控制系统的根轨迹分析
52.
1.
2、汽车速度控制系统数学模型的建立
52.
1.
2、设计要求
62.
1.
3、请依次求解
62.
2、汽车速度控制系统题目解答
72.
2.
1、三阶系统的根轨迹图
72.
2.
2、满足上述条件的系统稳定的Ka的值
72.
2.
3、三阶系统的时域性能指标
83、复杂控制系统校正题
103.
1、题目直流电机绕线系统控制
103.
1.
1、对象介绍
103.
1.
2、控制目标设定
113.
1.
3、建立系统传递函数
113.
1.
4、设计要求
113.
1.
5、请依次求解
123.
2、直流电机绕线系统控制题目解答
123.
2.
1、总体设计框图
123.
2.
2、原系统的相角裕度和幅值裕度
163.
2.
4、判定稳定性
173.
2.
5、滞后-超前校正装置
204、心得体会28____
291、小论文题目__TLAB软件在控制系统仿真中的应用现状及其发展前景(不少于1500字)题号
1.1分值30指标点
5.2得分小论文包括中文摘要、关键词、英文摘要、英文关键词、正文
1、__TLAB软件在控制系统仿真中的应用现状及其发展前景摘要__TLAB是__thWorks公司于1984年推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言,可用于算法__、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Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果关键词__TLABSimulink控制系统仿真系统模型ABSTRACT__TLABisaninteractiveprogramminglanguagefor__trixcomputationbasedonthe__thWorkscompanylaunchedin1984canbeusedfortheseniortechnicalcalculationalgorithmdevelopmentdatavisualizationdata____ysisandnumericalcomputinglanguageandinteractiveenviro__ent.Simulinkprovidesabuildingblockdiagrammodelofthegraphicaluserinte_____thepro__ssofcreatingjustclickanddragthemouseoperationcanbecompleteditprovidesaconvenientandstraightforwardwayanduserscanimmediatelyseetheresultsofsimulationsystem.Keywords__TLASimulinkControlsystemsimulationsystemmode随着现在国家推行建设应用型本科大学服务地方的要求,现在各高校理论课程及课时严重削减,很多数学知识比如复变函数等都取消了,高等数学也只是上了基础部分,最直接的后果就是导致工科的专业课很难以过去传统的教学方法进行下去,其中控制工程基础就是一门影响比较严重的课程,针对这种情况,在教学中引入__TLAB,配合其强大的数值计算能力、绘图及建模仿真,以弥补这一缺陷,同时使抽象的课程形象化,培养学生的计算机及自学能力,对学生后续课程的学习也有很大的帮助众所周知,一个系统的好坏要根据这个系统是否稳定来判断,因而稳定性是控制系统能否正常工作的首要条件,所以在进行控制系统的设计时首先判别系统的稳定性而在自动控制理论的学习过程中,对判别稳定性一般采用劳斯稳定判据的计算来判别对于低阶或是不复杂的系统判断起来很简单,但是对于高阶系统,按这样的方法计算过程繁琐且复杂,很容易出错运用__TLAB来判断稳定性不仅减少了计算量,而且准确由于__TLAB的使用极其容易,不要求使用者具备高深的数学与程序语言的知识,不需要使用者深刻了解算法与编程技巧,且提供了丰富的矩阵处理功能,所以受到了广大学生和科研工__的青睐使用__TLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础,使用__TLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究
1.
1、__TLAB简介__TLAB是__thWorks公司于1984年推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言,可用于算法__、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__TLAB与__THE__TICA、__PLE并称为数学领域的三大软件,其中__TLAB在数值计算方面以及工业和科研领域中的普及程度均首屈一指目前国内众多高校均初步把__TLAB作为控制工程基础教学的基本工具,通过__TLAB的框图构造使学生能很快地从复杂的结构框图中理清头绪,并了解系统的有关结构参数与系统特征的相互关系__TLAB语言规则简单,同时提供了数以千记的计算函数,对控制系统的数学模型的建立及分析在控制系统的研究中有着相当重要的作用因为要对系统进行仿真处理,首先应当知道系统的数学模型,然后才可以对系统进行模拟同样,如果知道了系统的模型,才可以在此基础上设计一个合适的控制器,使得系统响应达到预期的效果,从而符合工程实际的需要__TLAB软件的应用,学生感觉在解决了烦人的数学问题后,其实控制工程基础是一门很有意思也很有用的课程,尤其是学校组建了自动化大赛的队伍,在准备比赛提案撰写中,也充分发挥了__TLAB软件功能,提高了学生的学习兴趣及科研、动手的能力__TLAB不仅有着丰富的库函数,在进行复杂的数学运算时可以直接调用而且用户还可以根据需要方便地编写和扩充新的函数库通过混合编程用户可以方便地在__TLAB环境中调用其他用Fortran或者C语言编写的代码,也可以在C语言或者Fortran语言程序中调用__TLAB计算引擎来执行__TLAB代码
1.
2、Simulink简介Simulink是__TLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于__TLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字__处理的建模和仿真中Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果其实,从很多实例分析就可以看出__TLAB的功能之强大,应用范围之广相信,在不久的将来,__TLAB在自动控制系统的应用中会更加广泛综上所述,__TLAB是一种基于矩阵运算、具有强大的数值运算和数据处理功能的高级编程语言,广泛应用于__分析、__分析、优化设计等领域,在复杂算法方面表现出其他语言难以比拟的优势,目前已成为国际上最为流行的软件之一
2、复杂控制系统稳定性、时域分析、根轨迹题题号
2.
12.
22.3分值5510指标点
1.
55.
14.4得分
2、复杂控制系统稳定性、时域分析、根轨迹题
2.1题目汽车速度控制系统的根轨迹分析汽车测速是生活中经常遇到的问题,汽车速度控制系统是为了让两车之间的距离保持在安全距离,防止事故整个系统可以模拟成一个单输入单输出的控制过程,主要是要确定汽车的运行轨迹,运用根轨迹法可以很好的分析速度控制系统
2.
1.
2、汽车速度控制系统数学模型的建立汽车速度控制系统主要是通过两车的速度检查和相对距离的检查,通过数字通信送到计算机进行计算是否满足两车之间的安全距离,再通过车内的控制设备对汽车的速度进行调节,使得两辆汽车距离保持在安全距离之上,汽车速度控制系统的实物简图如图
2.1所示图
2.1汽车速度控制系统实物简图Figure
2.1vehiclespeedcontrolsystemphysicaldiagram忽略汽车速度控制系统其它影响因素,假定控制过程汽车速度均匀变化,速度检查装置和两车相对距离检查装置采集的__都无衰减,我们可将汽车测速控制系统模拟为但输入但输出的系统,其结构图简化为图4,其中输入汽车的相对速度,输出为两车之间的安全距离图
2.2汽车速度控制系统结构框图Figure
2.2vehiclespeedcontrolblockdiagramofthesystem由图
2.2可计算得到汽车速度控制系统开环传递函数为
2.
1.
2、设计要求在已知的根轨迹上选取最佳阻尼系数,对系统性能进行分析保证汽车速度控制系统的控制目标指标1阶跃响应的超调量指标2阶跃响应调节时间
2.
1.
3、请依次求解1请绘制三阶系统的根轨迹图2请确定满足上述条件的系统稳定的Ka的值3请计算出在满足
3.2条件下的三阶系统的时域性能指标
2.
2、汽车速度控制系统题目解答
2.
2.
1、三阶系统的根轨迹图程序如下(
2.1)num=
[1];den=[
0.
21.420];rlocusnumdengridon图
2.3三阶系统的根轨迹图
2.
2.
2、满足上述条件的系统稳定的Ka的值根据根轨迹可以得到0Ka
13.9程序如下
2.2:num=
[1];den=[
0.
21.420];sys=tfnumden;z=
0.707;w=[];rlocussysgridonsgridzw图
2.4三阶系统的根轨迹图根据最佳阻尼比由图可得Ka=
1.
42.
2.
3、三阶系统的时域性能指标程序如下(
2.3)num=[
1.4];den=[
0.
21.420];G=tfnumdenG1=feedbackG1stepG1gridon图
2.5Ka=3时的三阶系统的单位阶跃响应曲线阶跃响应系能指标上升时间tr=
3.13s峰值时间tp=
4.03s调节时间ts=
6.02s峰值幅值h(tp)=
1.04稳态值h∞=1超调量
三、复杂控制系统校正题题号
3.
13.
53.
23.
33.
43.5分值5510101010指标点
1.
54.
24.
44.
44.
45.3得分
3、复杂控制系统校正题
3.
1、题目直流电机绕线系统控制
3.
1.
1、对象介绍在工业生产中,很多工厂都因为变压器线圈绕的圈数对精确或者不够紧密而影响生产质量,因此发明了直流电机转子绕线控制系统来为生产减轻负担但是电机转子绕线系统他有一个特点,就是靠电流控制系统的转速,电流是电气中最难控制的因此我们在此需要研究电机绕线系统的特性,其物理机制与控制系统的稳定性密切相关它反应了控制系统中一种基本现象,即一个平常的不稳定被控对象,经过一定的控制手段,就可以让系统达到很好的稳定性可见,直流电机绕线系统控制问题的研究和实现不仅具有深刻的理论意义,还具有重要的工程背景直流电机绕线控制系统的输入值为给定直流电机一个初始转速,然后控制器驱动直流电机转动,带到缠绕环匀速上下__,然后转速测量仪把输出的直流电机的转速测量值反馈给比较器和输入值进行比较,经过计算把偏差值传送给控制器,控制器根据偏差的大小,去驱动直流电机进行转速调整,以正确控制缠绕环的正常运转系统的绕线转子因为是要在绕线的过程中逐渐增加系统负载的,一般的设备不能承担变压器线圈的重量,所以在这里采用气压夹紧设备来固定转动的绕线转子,绕线转子的转动这里利用步进电机进行控制,步进电机的特点就是在非超载情况下电机的转速和停止,根脉冲的频率和脉冲数有关,它不受负载影响,所以步进电机工作性能是很稳定的,在这里只要直流电机的转速和步进电机转速合适,系统的控制就能够达到稳定的效果直流电机转子绕线控制系统结构框图如图
3.1所示图
3.1直流电机绕线系统图设备组成直流电机,步进电机,转子,气动夹设备,绕线环,控制器,测速仪等
3.
1.
2、控制目标设定直流电机绕线控制系统,当电机系统遇到电流的波动等因素,能够使电机转速能够快速的达到一个新的平衡位置这里的输入值为给定直流电机一个初始电压,系统测量值也是直流电机电压,并且在有较大的随机扰动情况下其电机的转速一直能够保持在期望的平衡位置因为我们要保证直流电机在扰动作用下最终能稳定在新的转速平衡位置上,因此其稳态误差必须非常小甚至为零,这样才能保证系统稳定我们要保证系统稳定,首先需要用频域分析方法分析系统是否稳定(在这里选用Nyquist稳定判据更为方便快捷),才能进一步对不稳定系统设计校正器对系统进行校正
3.
1.
3、建立系统传递函数根据直流电机转子绕线系统组成框图,这里先假设系统控制器,可以建立可以写出直流电机绕线转子系统的开环传递函数,即其中为直流电机的期望电压值,为直流电机的输出电压值
3.
1.
4、设计要求指标设定具体要求指标要求1阶跃响应的稳态跟踪误差小于10%,静态速度误差系统;指标要求2系统在阶跃输入__下的超调量小于;指标要求3系统的调节时间
3.
1.
5、请依次求解1请确定满足指标要求1的K的取值2绘制在
3.1条件下的Nyquist和Bode图,及其形成单位负反馈系统下的原系统的阶跃响应曲线3请计算满足
3.1条件下的原系统的相角裕度和幅值裕度4判断原系统的稳定性5请设计滞后-超前校正装置,使校正后的系统满足指标2和指标3的要求
3.
2、直流电机绕线系统控制题目解答直流电机绕线系统控制的开环传递函数设计步骤
3.
2.
1、总体设计框图图
3.2总体设计框图开环传递函数为传递函数化简成标准形式为由计算得K/20=25;K=500Nyquist和Bode图以及原系统的阶跃响应曲线程序(
3.1)num=500;den=convconv
[10]
[12]
[110];sys=tfnumdensys1=feedbacksys1figure1;nyquistsysgridonfigure2;bodesysgridonfigure3;stepsys1gridonsys=500-------------------s^3+12s^2+20sContinuous-timetransferfunction.sys1=500-------------------------s^3+12s^2+20s+500Continuous-timetransferfunction.图
3.3原系统的Nyquist图图
3.4原系统的Bode图图
3.5原系统的阶跃响应曲线图
3.
2.
2、原系统的相角裕度和幅值裕度程序(
3.2)num=500;den=convconv
[10]
[12]
[110];sys=tfnumden__rginsyssys=500-------------------s^3+12s^2+20sContinuous-timetransferfunction.图
3.6原系统Bode图仿真结果为Gm=-
6.38dBPm=-
14.9deg
3.
2.
4、判定稳定性
(1)、根据系统Bode图计算出相角稳定裕度γ0闭环系统稳定否则系统不稳定利用__tlab函数__rgin来绘制Bode图和计算频域指标系统程序如下(
3.3)num=25;den=conv[
0.510][
0.11];sys=tfnumden[GmPmWcpWcg]=__rginsys__rginsys执行结果如图
3.7图
3.7原系统Bode图图中相角稳定裕度γ=-
14.9°0由此可见系统闭环不稳定
(2)、根据特征根判定系统稳定程序如下(
3.4)num=500;den=convconv
[10]
[12]
[110];[numden]=cloopnumden[zp]=tf2zpnumdeni=findrealp0n=lengthiifn0dispsystemisunstable;elsedispsystemisstable;end执行结果num=000500den=11220500z=Empty__trix:0-by-1p=-
13.3174+
0.0000i
0.6587+
6.0919i
0.6587-
6.0919ii=23n=2systemisunstable由此可见系统闭环不稳定
3.
2.
5、滞后-超前校正装置
(1)、串联滞后校正的网络函数用__TLAB编写的求滞后校正的程序代码如下(
3.5)num=500;den=convconv
[10]
[12]
[110];sys=tfnumden;[__gphasew]=bodesys;__g=20*log10__g;Pm=-
14.9;Pm1=Pm+80;Qm=Pm1*pi/180;b=1-sinQm/1+sinQm;Lcdb=-20*log10b;wc=spline__gwLcdb;T=10/wc*b;Tz=b*T;__=tf[Tz1][T1]__=
9.357s+1-----------192s+1Continuous-timetransferfunction.所以到结果为使用__TLAB检验是否符合要求,程序代码为(
3.6)num1=500;den1=convconv
[10]
[12]
[110];sys1=tfnum1den1;num2=[
9.3571];den2=
[1921];sys2=tfnum2den2;sys=sys1*sys2;[__gphasew]=bodesys;__rginsysgridon图
3.8校正后的系统Bode图__TLAB仿真结果为Gm=
19.3dBPm=
50.3deg(符合设计要求)
(2)、用__TLAB画校正前后的轨迹
①校正前的根轨迹由于系统未校正前的开环传递函数为使用__TLAB画根轨迹代码如下(
3.7)num=500den=convconv
[10]
[12]
[110]rlocusnumdengridon图
3.9校正前系统根轨迹图
②校正后的根轨迹系统校正后的开环传递函数为使用__TLAB画根轨迹代码如下(
3.8)num=500*[
9.3571];den=convconv
[110]
[1921]
[120];rlocusnumdengridon图
3.10校正前系统根轨迹图
(3)用__TLAB对校正前后的系统进行仿真分析系统未校正前的开环传递函数为单位负反馈闭环传递函数为使用__TLAB求校正前系统单位阶跃响应的性能指标代码如下(
3.9)num=500;den=
[11220500];t=0:
0.01:20stepnumdent[yxt]=stepnumdent__xy=__xyyss=ylengthtpos=100*__xy-yss/yssfori=1:2001ifyi==__xyn=i;endendtp=n-1*
0.01y1=
1.05*yssy2=
0.95*yssi=2001whilei0i=i-1ifyi=y1|yi=y2;m=i;breakendend图
3.11校正前单位阶跃响应曲线图系统能稳定使用__TLAB求校正前系统单位阶跃响应的性能指标代码如下(
3.10)num=500;den=
[11220500];s1=tfnumden;Lsys=tfnumden;[ytx]=stepLsys;plottygridon;图
3.12校正前的单位阶跃响应曲线阶跃响应系能指标上升时间tr=
0.229s峰值时间tp=
0.558s调节时间ts=
12.8s峰值幅值h(tp)=
1.79稳态值h∞=1超调量=79
②校正后系统系统校正后的开环传递函数为单位负反馈闭环传递函数为:使用__TLAB求校正后系统单位阶跃响应的性能指标代,代码如下(
3.11)num=500*[
9.3571]den=[192220466104__0500]s1=tfnumden;Lsys=tfnumden;[ytx]=stepLsys;plottygridon图
3.13校正后的单位阶跃响应曲线阶跃响应系能指标上升时间tr=
2.49s峰值时间tp=
5.13s调节时间ts=14s峰值幅值h(tp)=
1.072稳态值h∞=1超调量
4、心得体会首先通过这次大作业,我明白了滞后网络进行串联校正控制的基本原理主要是利用滞后网络的高频幅值衰减特性,使已校正的系统截止频率下降,从而使系统获得足够的相角裕度,即利用系统本身的能力,这是与超前校正截然不同的而且,滞后网络的最大滞后角应力求避免发生在系统截止频率附近不仅如此,我还了解了各种校正方式的特点与优缺点同时我也意识到自动控制原理的学习,不是仅仅局限于学习课本上的一些理论知识,更重要的是将理论灵活并且变换的运用到实际中,这样才能学有所用,作为新一代的大学生,我们决不能走入死读书的歧途,而学校__学生进行大作业,旨在加强学生的实际运用能力,将课本知识与实际__起来,更好的加深对理论的掌握和运用大作业是培养学生综合运用所学知识发现提出分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异,自动化控制已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域,在生活中可以说得是无处不在其次通过起此次大作业,不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和__思考的能力总之,在这次大作业过程中,我既学习到了自动控制原理的知识,又学到了许多书本之外宝贵的分析动手能力____
[1]控制系统__TLAB计算及仿真北京国防工业出版社2001
[2]__TLAB应用主编王涛出版社大连理工大学1998
[3]__TLAB语言与自动控制系统设计.北京:机械工业出版社K1/SS+2S+10csRs。