自动控制原理-关于MATLAB课程设计

自动控制原理-关于MATLAB课程设计
自动控制原理-关于MATLAB课程设计

自动控制原理课程设计——磁悬浮小球

学校:重庆交通大学

指导老师:李斌

学院:机电学院

班级:2012级电气(1班)

姓名:叶建

学号:631224060108

设计时间:2014年12月

一、 设计的目的及意义

1)、理论联系实际,加强对自动控制理论的理解。增强分析问题、解决问题的能力。

2)、熟悉MATLAB 软件,掌握它在控制系统设计当中的应用,能熟练进行系统建模、性能分析、模型仿真等操作。

3)、用单片机进行编程,实现PID 的控制算法,了解控制算法的具体实现及单片机软件仿真过程。

4) 、开发创新意识,增进对科学技术的兴趣。 5) 、培养严肃认真的科学态度。

二、 被控对象、控制目标及性能指标

1)、被控对象:根据小球与线圈的先对距离改变通入线圈电流的大小从而改变线圈感应的磁力大小。

2)、控制目标:在线圈中通电时线圈中感应产生磁力,当磁力等于位于线圈下方的小球的重力时,小球悬浮。

3)、性能指标:ts=1s,tr=1.5s,tp=1.5s, =5% 三、

设计方案及总体思路

1)、基本框图

PID控制器

执行器

被控对象(过程)

传感器

偏差

测量值

被控参数

给定值

+-控制

信号

控制量

2)、总体思路

电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力,控制电磁铁绕组中的电流,使之产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平衡状态是一种不稳定平衡,任何一

点微小的扰动就可以导致钢球掉落或被电磁铁吸住。因此,必须对线圈励磁电流进行恰当的闭环反馈控制,才能使钢球稳定的悬浮。即线圈产生的磁力始终与小球的重力相等。由电涡流位移传感器检测钢球

与电磁铁之间的距离()x t

变化,当钢球受到扰动下降,钢球与电磁铁之间的距离()x t

增大,传感器输出电压增大,经控制器计算、功率放

大器放大处理后,使电磁铁绕组中的控制电流相应增大,电磁力增大,钢球被吸回平衡位置,反之亦然。 四、具体设计

1、建立数学模型

(1)、控制对象的运动方程

忽略小球受到的其他干扰力,则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力F 和自身的重力mg 。球在竖直方向的动力学方程可以如下描述:

22

()

(,)d x t m mg F i x dt =-

式中x 为磁极到小球的气隙,单位为m ;m 为小球的质量,单位为g K ;(,)F i x 为电磁吸力,单位为N ;g 为重力加速度,单位为2/m s 。

(2)、系统的电磁力模型

由磁路的基尔霍夫定律、毕奥-萨伐尔定律和能量守恒定律有错误!未找到引用源。:

22

0220()(,)2(,)()2

m AN i W i x AN i

x

F i x x x

x

μδδμδδ==

=-

式中0μ为空气磁导率,70410/H m μπ-=?;A 为铁芯的极面积,单位为2m ;

N 为电磁铁线圈匝数;x 为小球质心到电磁铁磁极表面的瞬时气隙,单位为m ;i 为电磁铁绕组中的瞬时电流,单位为A 。

由于上式中A 、N 、0μ均为常数,故可定义一常系数K

2

02

AN K μ=-

则电磁力可改写为:

2(,)()i

F i x K x

=

(3)、电磁铁中控制电压与电流的模型

电磁铁绕组上的瞬时电感与气隙间的关系如图所示。

电磁铁通电后所产生的电感与小球到磁极面积的气隙有如下关系:

01()1L

L x L x a

=++

由上式可知:

110()L L x L L <≤+

又因为:

10L L >>

故有:

1()L x L ≈

根据基尔霍夫电压定律有:

[]

[][]1

()()()()()()()()m d t U t Ri t dt

d L x gi t Ri t dt d i t Ri t L dt

ψ=+=+

≈+

式中1L 为线圈自身的电感,单位为H ;0L 为平衡点处的电感,单位为H ;x 为小球到磁极面积的气隙,单位为m ;i 为电磁铁中通过的瞬时电流,单位为A ;R 为电磁铁的等效电阻,单位为Ω。 (4)、电磁铁平衡时的边界条件

当小球处于平衡状态时,其加速度为零,即所受合力为零,小球的重力等于小球受到的向上的电磁吸引力, 即:

20000

(,)(

)i mg F i x K x == (5)、电磁铁系统数学模型

综上所诉,描述磁悬浮系统的方程可完全由下面方程确定:

()22120000(,)()()(,)()(,)()d x

m mg F i x dt d i t U t Ri t L dt i F i x K x i mg F i x K x ?=-???????=+???

?=??

?==??

对电、力学关联方程线性化后,设系统的状态变量为123,,x x x x x i '===,则系统的状态空间方程为:

1130

0223

200331101002200100x x ki ki X x x U mx mx x x R L L ?

?

??

???' ?

????? ?

? ???''==-+ ? ? ??? ?

? ??'??? ? ???

?- ????

?

转化成传递函数形式:

121

323113

/()()k L G s C sI A B D s k s k s k k -=-+=

--+

20012332

001

22,,ki ki R

k k k mx mx L ==-=- 式中0x 为小球平衡位置,单位为m ;0i 为平衡电流,单位为A 。 (6)、电磁铁系统物理参数

本实验系统实际的模型参数如表2.1所示。

表2.1 实验系统参数表

参数

m

28g R 13Ω

1L 118mH 0x

15.5mm 0i

1.2A

K

5224.58710/Nm A -?

故代入数据有:32138.42

()110.171264.5139310

G s s s s -=

+--

五、性能分析(包括时域分析和频域分析)

1、开环系统仿真

2、加入PID调试

(1)、Kp=1,Ki=1.3,Kd=0.1时的闭环阶跃响应如下

(2)

、0.5;1.3;0.1p i

d K K K ===

(3)、Kp=1.5,Ki=1.3,Kd=0.1

(4)、Kp=3,Ki=1.3,Kd=0.1

(5)、Kp=5,Ki=1.3,Kd=0.1

由各图得知,p k 越大,系统响应速度越快,可减小系统调节时间;但是在接近稳态区域时,如果p k 选择过大,会导致长时间有过大的超调,甚至可能带来系统的不稳定。因而p

k 影响系统响应速度。

(6)、Kp=1,Ki=0.1,Kd=0.1

(7)、Kp=1,Ki=0.5,Kd=0.1

(8)、Kp=1,Ki=1.5,Kd=0.1

(9)、Kp=1,Ki=3,Kd=0.1

(10)、Kp=1,Ki=10,Kd=0.1

(11)、Kp=1,Ki=30,Kd=0.1

k越大,系统静差消除越快,但是在系统响应过程的初期,一般由图得知,

i

k过大使系统响应过程出现较大的超调或者引起积分饱和现象。因偏差比较大,

i

k主要影响系统的稳态精度

i

(12)、Kp=1,Ki=1.3,Kd=0.001

(13)、Kp=1,Ki=1.3,Kd=0.05

(14)、Kp=1,Ki=1.3,Kd=0.1

(15)、Kp=1,Ki=1.3,Kd=0.3

(16)、Kp=1,Ki=1.3,Kd=1

由图得知,微分作用主要是响应系统误差变化速率的,主要是在系统响应过程中当误差向某个方向变化时起制动作用。

结合以上规律进一步调节PID 参数,当p k 、i k 和d

k 分别为1,1.3和0.1时,可以得到

如图所示的阶跃响应曲线,此时系统的上升时间,超调量和调节时间等动态性能综合较好。

频域分析:

3、超前滞后矫正即串入())1(111

1

112

1

>++=++=

s s w s w Ts aTs s G c 如图所示

(1)、当

11w =1.5,2

1

w =1时有

(2)、当

11w =2.5,2

1

w =1时有

(3)当

11w =8.8,2

1w =3时有

(4)当

11w =1,2

1w =1.5时有

(5)由此可见超前对可以提高此系统的稳定性,滞后降低了系统的稳

定性且在当

11w =8.8,2

1

w =3时有效果相对较好。 此时的频繁分析

六、设计结论

实验基本达到了设计要求,最后得出了稳定的响应即最后小球的重力始终与线圈产生的磁力相平衡且从得出的图中可以看出各项性

能指标:超调量、上升时间、调整时间、峰值时间等基本达到了要求。但进行矫正后的波形稳定性还有一定的欠缺。

七、设计工作总结及心得体会

此次实验基本达到要求,得出了较为稳定的响应,对磁悬浮小球这一系统做了一个简单得分析也对MATLAB有了一定的了解,特别是对Simulink的运用更熟练,在对软件的运用也有了一些小技巧如对系统的频域分析也可以在Simulink中直接得出,即在建立的Simulink模型中点击Tools→control design选择Bode response plot然后点击linearize model即可得出bode图,选择Nyquist然后点击linearize model即可求出Nyquist图形。同时本次实验也加深了我对PID的认识,PID的正确运用可以将一个稳定性差的系统矫正为一个稳定性较好的系统,另外超前滞后的正确运用也对系统的稳定性有一定的影响。

八、参考资料

自动控制原理实践教程彭学峰编著

自动控制原理MATLAB仿真实验报告

实验一 MATLAB 及仿真实验(控制系统的时域分析) 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析,包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性; 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些? 2、 如何判断系统稳定性? 3、 系统的动态性能指标有哪些? 三、实验方法 (一) 四种典型响应 1、 阶跃响应: 阶跃响应常用格式: 1、)(sys step ;其中sys 可以为连续系统,也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ;表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ;表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =;可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应: 脉冲函数在数学上的精确定义:0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为:) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式: ① )(sys impulse ; ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = (二) 分析系统稳定性 有以下三种方法: 1、 利用pzmap 绘制连续系统的零极点图; 2、 利用tf2zp 求出系统零极点; 3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 (三) 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.

matlab课程设计题目

课题一: 连续时间信号和系统时域分析及MATLAB实现 课题要求: 深入研究连续时间信号和系统时域分析的理论知识。利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能以及数值计算功能,实现连续时间信号和系统时域分析的仿真波形。 课题内容: 一、用MATLAB实现常用连续时间信号的时域波形(通过改变参数,分析其时域特性)。 1、单位阶跃信号, 2、单位冲激信号, 3、正弦信号, 4、实指数信号, 5、虚指数信号, 6、复指数信号。 二、用MATLAB实现信号的时域运算 1、相加, 2、相乘, 3、数乘, 4、微分, 5、积分 三、用MATLAB实现信号的时域变换(参数变化,分析波形变化) 1、反转, 2、使移(超时,延时), 3、展缩, 4、倒相, 5、综合变化 四、用MATLAB实现信号简单的时域分解 1、信号的交直流分解, 2、信号的奇偶分解 五、用MATLAB实现连续时间系统的卷积积分的仿真波形 给出几个典型例子,对每个例子,要求画出对应波形。 六、用MATLAB实现连续时间系统的冲激响应、阶跃响应的仿真波形。 给出几个典型例子,四种调用格式。 七、利用MATLAB实现连续时间系统对正弦信号、实指数信号的零状态响应的仿真波形。 给出几个典型例子,要求可以改变激励的参数,分析波形的变化。 课题二: 离散时间信号和系统时域分析及MATLAB实现。 课题要求: 深入研究离散时间信号和系统时域分析的理论知识。利用MATLAB强大的图

形处理功能、符号运算功能以及数值计算功能,实现离散时间信号和系统时域分析的仿真波形。 课题内容: 一、用MATLAB绘制常用信号的时域波形(通过改变参数分析其时域特性) 1、单位序列, 2、单位阶跃序列, 3、正弦序列, 4、离散时间实指数序列, 5、离散时间虚指数序列, 6、离散时间复指数序列。 二、用MATLAB实现信号的时域运算 1、相加, 2、相乘, 3、数乘。 三、用MATLAB实现信号的时域变换(参数变化,分析波形的变化) 1、反转, 2、时移(超时,延时), 3、展缩, 4、倒相。 四、用MATLAB实现离散时间系统卷积和仿真波形 给出几个典型例子,对每个例子要求画出e(k),h(k),e(i),h(i),h(-i),Rzs(k)波形。 五、用MATLAB实现离散时间系统的单位响应,阶跃响应的仿真波形 给出几个典型例子,四中调用格式。 六、用MATLAB实现离散时间系统对实指数序列信号的零状态响应的仿真波形 给出几个典型例子,要求可以改变激励的参数,分析波形的变化。 课题三: 连续时间信号傅里叶级数分析及MATLAB实现。 课题要求: 深入研究连续时间信号傅里叶级数分析的理论知识,利用MATLAB强大的图形处理功能,符号运算功能以及数值计算功能,实现连续时间周期信号频域分析的仿真波形。 课题内容: 一、用MATLAB实现周期信号的傅里叶级数分解与综合 以周期矩形波信号为例,绘出包含不同谐波次数的合成波形,观察合成波形与原矩形 波形之间的关系及吉布斯现象。

MATLAB课程设计报告 基于MATLAB GUI 的滤波器设计软件

MATLAB课程设计报告 基于MATLAB GUI的“滤波器设计软件”设计

摘要 面对庞杂繁多的原始信号, 如何提取所需信号、抑制不需要的信号这就需要使用滤波器。滤波器的作用主要是选择所需频带的信号内容而抑制不需要的其他频带的信号内容。数字滤波器因其精度高、可靠性好、灵活性大等优点, 在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR(有限长冲击响应)和FIR(无限长冲击响应)。作为强大的计算软件, MATLAB 提供了编写图形用户界面的功能。所谓图形用户界面, 简称为GUI, 是由各种图形对象, 如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。 MATALB 可以创建图形用户界面GUI ( GraphicalUser Interface) ,它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB 将所有GUl 支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。 关键词:MATLAB GUI IIR滤波器FIR滤波器

目录 1设计任务 (1) 2 MATLAB GUI的简介 (2) 3 滤波器设计原理 (3) 3.1滤波器概述 (3) 3.2 IIR数字滤波器 (4) 3.2.1 IIR数字滤波器设计原理 (4) 3.2.2 IIR滤波器设计思想 (5) 3.2.3 IIR滤波器设计编程实现 (6) 3.3 FIR数字滤波器 (8) 3.3.1 FIR数字滤波器设计原理 (8) 3.3.2 FIR滤波器设计思想 (9) 4 基于Matlab GUI的数字滤波器设计思路及实现 (12) 4. 1 GUI界面设计概述 (12) 4.2 “滤波器设计软件”设计所实现任务 (14) 4.3 基于Matlab GUI的数字滤波器设计实现 (16) 4.3.1 “滤波器设计软件”GUI界面设计 (16) 4.3.2 “滤波器设计软件”回调函数编写 (17) 4.3.3AutoChoose.m程序的编写 (22) 4.4 运行和结果显示 (28) 5 设计总结和心得 (33) 5.1 设计总结 (33) 5.2 设计心得 (34) Abstract (35) 参考文献 (36) 附录

自动控制原理课程设计报告

《自动控制原理》 课程设计报告 姓名:高陆及__________ 学号: 1345533107______ 班级: 13电气 1班______ 专业:电气工程及其自动化学院:电气与信息工程学院

江苏科技大学(张家港) 2015年9月

目录 一、设计目的 (3) 二、设计任务 (3) 三、具体要求 (4) 四、设计原理概述 (4) 4.1校正方式的选择 (4) 4.2集中串联校正简述 (5) 4.2.1串联超前校正 (5) 4.2.2串联滞后校正 (5) 4.2.3串联滞后-超前校正 (5) 4.2.4串联校正装置的一般性设计步骤 (5) 五、设计方案及分析 (6) 5.1高阶系统的频域分析 (6) 5.1.1 原系统的频率响应特性及阶跃响应 (7) 5.1.2使用Simulink观察系统性能 (9) 5.1.3 搭建模拟实际电路 (10) 5.1.4 对原系统的性能分析 (12) 5.2校正方案确定与校正结果分析 (13) 5.2.1 采用串联超前网络进行系统校正 (13) 5.2.3 采用串联滞后—超前网络系统进行校正 (18) 5.2.4 使用EWB搭建校正后模拟实际电路 (23) 六、总结 (26)

一、设计目的 1.通过课程设计熟悉频域法分析系统的方法原理 2.通过课程设计掌握滞后—超前校正作用与原理 3.通过在实际电路中校正设计的运用,理解系统校正在实际中的意义 二、设计任务 控制系统为单位负反馈系统,开环传递函数为) 1025.0)(11.0()(++= s s s K s G , 设计滞后-超前串联校正装置,使系统满足下列性能指标: 1、开环增益100K ≥

自动控制原理习题全解及MATLAB实验 第6章习题解答

第6章控制系统的校正 本章主要讨论利用频率法对单输入-单输出的线性定常系统的综合和设计。在介绍控制系统校正的基本概念、控制系统的基本控制规律的基础上,介绍了各种串联校正装置(超前校正装置、滞后校正装置、滞后-超前校正装置)的特性及按分析进行相应设计的基本步骤和方法;还介绍了期望设计法的基本概念、常见的期望特性和设计步骤;另外还介绍了根轨迹法的串联校正和反馈校正的基本概念和方法;最后介绍了利用MATLAB进行控制系统校正。 教材习题同步解析 试分别说明系统的固有频率特性与系统期望频率特性的概念。 答:系统本身固有元件所具有的频率特性称为固有频率特性。设计者希望系统所能达到的频率特性称为系统期望频率特性。 试比较串联校正和反馈校正的优缺点。 答:a、校正装置和未校正系统的前向通道环节相串联,这种叫串联校正,串联校正是最常用的设计方法,设计与实现比较简单,通常将串联装置安置在前向通道的前端。 b、并联校正也叫反馈校正,它是和前向通道的部分环节按反馈方式连接构成局部反馈回路,设计相对较为复杂。并联校正一般不需要加放大器,它可以抑制系统的参数波动及非线性因素对系统性能的影。 PD控制为什么又称为超前校正?串联PD控制器进行校正为什么能提高系统的快速性和稳定性? 答:加入PD控制相当于在系统中加入一个相位超前的串联校正装置,使之在穿越频率处有较大的相位超前角。因此,PD控制称为超前控制。PD控制的传递函数为G s Kp sτ =+,由比例控制和微分控制组合而成。增大比例系数Kp,可以展宽系统的()(1) 通频带,提高系统的快速性。微分控制反映信号的变化率的预报作用,在偏差信号变化前给出校正信号,防止系统过大地偏离期望值和出现剧烈振荡倾向,有效地增强系统的相对稳定性。 PI控制为什么又称为滞后校正?串联PI控制器进行校正为什么能提高系统的稳态性能?如何减小它对系统稳定性的影响? 答:PI控制在低频段产生较大的相位滞后,所以滞后校正。PI控制的比例部分可以提高系统的无差度,改善系统的稳态性能。在串入系统后应使其转折频率在系统幅值穿越频率

MATLAB课设报告

课程设计任务书 学生姓名:董航专业班级:电信1006班 指导教师:阙大顺,李景松工作单位:信息工程学院 课程设计名称:Matlab应用课程设计 课程设计题目:Matlab运算与应用设计5 初始条件: 1.Matlab6.5以上版本软件; 2.课程设计辅导资料:“Matlab语言基础及使用入门”、“Matlab及在电子信息课程中的应 用”、线性代数及相关书籍等; 3.先修课程:高等数学、线性代数、电路、Matlab应用实践及信号处理类相关课程等。 要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求) 1.课程设计内容:根据指导老师给定的7套题目,按规定选择其中1套完成; 2.本课程设计统一技术要求:研读辅导资料对应章节,对选定的设计题目进行理论分析, 针对具体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析,画出程序设计框图,编写程序代码(含注释),上机调试运行程序,记录实验结果(含计算结果和图表),并对实验结果进行分析和总结。具体设计要求包括: ①初步了解Matlab、熟悉Matlab界面、进行简单操作; ②MATLAB的数值计算:创建矩阵矩阵运算、多项式运算、线性方程组、数值统计; ③基本绘图函数:plot, plot3, mesh, surf等,要求掌握以上绘图函数的用法、简单图形 标注、简单颜色设定等; ④使用文本编辑器编辑m文件,函数调用; ⑤能进行简单的信号处理Matlab编程; ⑥按要求参加课程设计实验演示和答辩等。 3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写,具体包括: ①目录; ②与设计题目相关的理论分析、归纳和总结; ③与设计内容相关的原理分析、建模、推导、可行性分析; ④程序设计框图、程序代码(含注释)、程序运行结果和图表、实验结果分析和总结; ⑤课程设计的心得体会(至少500字); ⑥参考文献(不少于5篇); ⑦其它必要内容等。 时间安排:1.5周(分散进行) 参考文献: [1](美)穆尔,高会生,刘童娜,李聪聪.MA TLAB实用教程(第二版) . 电子工业出版社,2010. [2]王正林,刘明.精通MATLAB(升级版) .电子工业出版社,2011. [3]陈杰. MA TLAB宝典(第3版) . 电子工业出版社,2011. [4]刘保柱,苏彦华,张宏林. MATLAB 7.0从入门到精通(修订版) . 人民邮电出版社,2010. 指导教师签名:年月日 系主任(或责任教师)签名:年月日

自动控制原理课程设计报告

成绩: 自动控制原理 课程设计报告 学生姓名:黄国盛 班级:工化144 学号:201421714406 指导老师:刘芹 设计时间:2016.11.28-2016.12.2

目录 1.设计任务与要求 (1) 2.设计方法及步骤 (1) 2.1系统的开环增益 (1) 2.2校正前的系统 (1) 2.2.1校正前系统的Bode图和阶跃响应曲线 (1) 2.2.2MATLAB程序 (2) 3.3校正方案选择和设计 (3) 3.3.1校正方案选择及结构图 (3) 3.3.2校正装置参数计算 (3) 3.3.3MATLAB程序 (4) 3.4校正后的系统 (4) 3.4.1校正后系统的Bode图和阶跃响应曲线 (4) 3.4.2MATLAB程序 (6) 3.5系统模拟电路图 (6) 3.5.1未校正系统模拟电路图 (6) 3.5.2校正后系统模拟电路图 (7) 3.5.3校正前、后系统阶跃响应曲线 (8) 4.课程设计小结和心得 (9) 5.参考文献 (10)

1.设计任务与要求 题目2:已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数 ()() 00.51K G s s s =+用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。 任务:用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计,使系统满足如下动态及静态性能 指标: (1)在单位斜坡信号作用下,系统的稳态误差0.05ss e rad <; (2)系统校正后,相位裕量45γ> 。 (3)截止频率6/c rad s ω>。 2.设计方法及步骤 2.1系统的开环增益 由稳态误差要求得:20≥K ,取20=K ;得s G 1s 5.0201)s(0.5s 20)s (20+=+=2.2校正前的系统 2.2.1校正前系统的Bode 图和阶跃响应曲线 图2.2.1-1校正前系统的Bode 图

自动控制原理MATLAB仿真实验

自动控制原理MATLAB仿真实验 实验一典型环节的MATLAB仿真 一、实验目的 1.熟悉MATLAB桌面和命令窗口,初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。 2.通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性,加深对各典型环节响应曲线的理解。 3.定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、SIMULINK的使用 MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型,进行仿真和调试。 1.运行MATLAB软件,在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令,按Enter 键或在工具栏单击按钮,即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。 2.选择File菜单下New下的Model命令,新建一个simulink仿真环境常规模板。 图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图

3.在simulink 仿真环境下,创建所需要的系统。 以图1-2所示的系统为例,说明基本设计步骤如下: 1)进入线性系统模块库,构建传递函数。点击simulink 下的“Continuous ”,再将右边窗口中“Transfer Fen ”的图标用左键拖至新建的“untitled ”窗口。 2)改变模块参数。在simulink 仿真环境“untitled ”窗口中双击该图标,即可改变传递函数。其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数,数字之间用空格隔开;设置完成后,选择OK ,即完成该模块的设置。 3)建立其它传递函数模块。按照上述方法,在不同的simulink 的模块库中,建立系统所需的传递函数模块。例:比例环节用“Math ”右边窗口“Gain ”的图标。 4)选取阶跃信号输入函数。用鼠标点击simulink 下的“Source ”,将右边窗口中“Step ”图标用左键拖至新建的“untitled ”窗口,形成一个阶跃函数输入模块。 5)选择输出方式。用鼠标点击simulink 下的“Sinks ”,就进入输出方式模块库,通常选用“Scope ”的示波器图标,将其用左键拖至新建的“untitled ”窗口。 6)选择反馈形式。为了形成闭环反馈系统,需选择“Math ” 模块库右边窗口“Sum ”图标,并用鼠标双击,将其设置为需要的反馈形式(改变正负号)。 7)连接各元件,用鼠标划线,构成闭环传递函数。 8)运行并观察响应曲线。用鼠标单击工具栏中的“”按钮,便能自动运行仿真环境下的系统框图模型。运行完之后用鼠标双击“Scope ”元件,即可看到响应曲线。 三、实验原理 1.比例环节的传递函数为 221211()2100,200Z R G s R K R K Z R =-=-=-== 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。

Matlab课程设计报告

自控系统仿真软件课程设计报告 MATLAB 设计题目:牛顿摆球 姓名: 学号: 院系: 班级:1203 指导教师: 2014年12月20日

一.课程设计目的 1、熟悉课程设计的基本流程; 2、掌握MATLAB语法结构及调试方法; 3、熟悉MATLAB函数调用,熟练二维画图; 4、掌握MATLAB语言在控制方面的运用; 5、学会用MATLAB进行基本仿真; 6、掌握MATLAB编程技巧,提高编程水平。 二.系统分析 1.题目的描述: (1)牛顿摆球原理描述 五个质量相同的球体由吊绳固定,彼此紧密排列。当摆动最右侧的球并在回摆时碰撞紧密排列的另外四个球,最左边的球将被弹出,并仅有最左边的球被弹出。当然此过程也是可逆的,当摆动最左侧的球撞击其它球时,最右侧的球会被弹出。当最右侧的两个球同时摆动并撞击其他球时,最左侧的两个球会被弹出。同理相反方向同样可行,并适用于更多的球。 为了更接近现实,在这里我将考虑重力及空气阻力的影响,摆球将不会永无止境的运动下去,由于外界因素的影响,摆球运动一段时间后将回归静止状态。(2)通过MATLAB动画程序制作软件,实现下述过程 当运行程序时,把最右边的小球拉到一定的高度放下,让其碰撞其余四个小球,仅让最左边的小球被弹出,当最左边小球回摆碰撞其它球时,最右边小球又被弹出,如此循环。由于是非理想条件下,摆球的摆动幅度会随摆动次数的增加越来越小,直到静止。 时间停顿两秒,把右边两小球一起拉到一定高度放下,让其碰撞其余三个球,同样仅让左边两球被弹出,当球回摆再次碰撞时,最右边两球又被同时弹出,如此循环,因为外界因素的影响,最终五个球都会静止下来。 (3)整个实验看似简单,但要在MATLAB上完成这样一个动画过程,还是需要下点功夫,克服困难的。经过自己的努力,终于实现了整个过程,这也是一种不小的收获。 2.设计要求: (1)能够实现有阻尼摆动,即摆幅随摆动次数增加越来越小,直到静止。(2)能够让摆球弧线摆动。 三.系统设计 1.系统设计过程 (1)通过函数axis建立坐标系 (2)在坐标系范围内通过函数line画各个支架 (3)通过函数title添加标题“动量守恒实验”、函数text添加标注“牛顿摆球” (4)通过函数line画出五个球,并设定其初始位置,颜色,大小,线条的擦拭方式

自动控制设计(自动控制原理课程设计)

自动控制原理课程设计 本课程设计的目的着重于自动控制基本原理与设计方法的综合实际应用。主要内容包括:古典自动控制理论(PID)设计、现代控制理论状态观测器的设计、自动控制MATLAB 仿真。通过本课程设计的实践,掌握自动控制理论工程设计的基本方法与工具。 1 内容 某生产过程设备如图1所示,由液容为C1与C2的两个液箱组成,图中Q 为稳态液体流量)/(3s m ,i Q ?为液箱A 输入水流量对稳态值的微小变化)/(3s m ,1Q ?为液箱A 到液箱B 流量对稳态值的微小变化)/(3s m ,2Q ?为液箱B 输出水流量对稳态值的微小变化)/(3s m ,1h 为液箱A 的液位稳态值)(m ,1h ?为液箱A 液面高度对其稳态值的微小变化)(m ,2h 为液箱B 的液位稳态值)(m ,2h ?为液箱B 液面高度对其稳态值的微小变化)(m ,21,R R 分别为A,B 两液槽的出水管液阻))//((3s m m 。设u 为调节阀开度)(2m 。 已知液箱A 液位不可直接测量但可观,液箱B 液位可直接测量。 图1 某生产过程示意图

要求 1. 建立上述系统的数学模型; 2. 对模型特性进行分析,时域指标计算,绘出bode,乃示图,阶跃反应曲线 3. 对B 容器的液位分别设计:P,PI,PD,PID 控制器进行控制; 4. 对原系统进行极点配置,将极点配置在-1+j 与-1-j;(极点可以不一样) 5. 设计一观测器,对液箱A 的液位进行观测(此处可以不带极点配置); 6. 如果要实现液位h2的控制,可采用什么方法,怎么更加有效?试之。 用MATLAB 对上述设计分别进行仿真。 (提示:流量Q=液位h/液阻R,液箱的液容为液箱的横断面积,液阻R=液面差变化h ?/流量变化Q ?。) 2 双容液位对象的数学模型的建立及MATLAB 仿真过程 一、对系统数学建模 如图一所示,被控参数2h ?的动态方程可由下面几个关系式导出: 液箱A:dt h d C Q Q i 111?=?-? 液箱B:dt h d C Q Q 22 21?=?-? 111/Q h R ??= 222/Q h R ??= u K Q u i ?=? 消去中间变量,可得: u K h dt h d T T dt h d T T ?=?+?++?222122221)( 式中,21,C C ——两液槽的容量系数 21,R R ——两液槽的出水端阻力 111C R T =——第一个容积的时间常数 222C R T =——第二个容积的时间常数 2R K K u =_双容对象的放大系数

自动控制原理Matlab程序作业(精)

自控控制原理 MATLAB 程序设计作业 指导老师:汪晓宁 目录 一、题目 (2) 二、运行结果 (3) 三、程序说明 (8) 四、附录 ............................................ 9 代码 . ............................................. 9 参考文献 .. (17) 一、题目 用 Matlab 创建用户界面,并完成以下功能 a 将产生未综合系统的根轨迹图以及 0.707阻尼比线, 你可以交互地选择交点的运行点。界面能显示运行点的坐标、增益值以及近似为二阶系统估算的超调量、调整时间、峰值时间、阻尼比、无阻尼自然震荡频率以及稳态误差 b 显示未综合系统的阶跃响应 c 输入控制器的参数, 绘制综合后系统的根轨迹图以及显示综合的设计点 (主导极点 , 允许不断改变控制器参数,知道所绘制的根轨迹通过设计点 d 对于综合后的系统, 显示运行点的坐标、增益,近似为二阶系统估算的超调量、调整时间、峰值时间、阻尼比、无阻尼自然震荡频率以及误差系数 e 显示综合后系统的阶跃响应 二、运行结果

输入传递函数分子分母 生成根轨迹图

选择点并得到该点各项参数在下方输出面板输出 获得阶跃响应图 用 rltool(辅助,选择合适的插入零点

输入零点,并得到根轨迹图

选择根轨迹图上的任一点,得到数据,在下方输出面板输出得到阶跃响应图 三、运行说明

第一步, 在请输入分子后的输入框输入传递函数分子的矩阵, 在下一输入框输入传递函数分母并按“生成根轨迹图”按钮获得根轨迹 第二步, 按选择点并显示各参数获得根轨迹图上任一点的各项数据, 数据全部输出在下方输出面板 第三步,按“生成阶跃响应图”按钮可以获得该函数的阶跃响应 第四步,在“请输入插入零点”后的输入框中输入参数,并按“生成综合后根轨迹图” 按钮产生根轨迹 (可以通过点击“根轨迹校正”按钮,调用工具箱拖动零点进行快速查看根轨迹图,选择合适的根轨迹再在输入框中输入零点的值 第五步,按“选择点并显示各参数(综合后系统”选取各点,查阅参数,数据输出在下方输出面板上 第六步,按“生成阶跃响应图(综合后系统”可以得到综合后系统的阶跃响应 最后,点击“退出”结束程序 四、附录 代码: function varargout = Liushuai20122510(varargin % LIUSHUAI20122510 MATLAB code for Liushuai20122510.fig % LIUSHUAI20122510, by itself, creates a new LIUSHUAI20122510 or raises the existing % singleton*. %

matlab课程设计拟定题目

第一类:单位转换 1.长度单位换算的设计与实现 2.面积单位换算的设计与实现 3.体积单位换算的设计与实现 4.容积单位换算的设计与实现 5.质量单位换算的设计与实现 6.时间单位换算的设计与实现 7.温度单位换算的设计与实现 7.压强单位换算的设计与实现 8.角度单位换算的设计与实现 8.功率单位换算的设计与实现 第二类:曲线绘制 1.直线的自动绘制和相关计算 2.椭圆的自动绘制和相关计算 3.双曲线的自动绘制和相关计算 4.抛物线的自动绘制和相关计算 5.心脏线的自动绘制和相关计算 6.渐开线的自动绘制和相关计算 7.滚圆线的自动绘制和相关计算 8.三叶玫瑰线的自动绘制和相关计算9.四叶玫瑰线的自动绘制和相关计 10.阿基米德螺线的自动绘制和相关计算第三类:曲面绘制 1.球面的自动绘制和相关计算 2.椭球面的自动绘制和相关计算 3.单叶双曲面的自动绘制和相关计算 4.双叶双曲面的自动绘制和相关计算 5.抛物面的自动绘制和相关计算 6.双曲抛物面的自动绘制和相关计算 7.双曲柱面的自动绘制和相关计算 8.椭圆柱面的自动绘制和相关计算 9.抛物柱面的自动绘制和相关计算 10.圆锥面的自动绘制和相关计算 第四类:线性回归 1.男士身高体重相关计算经验公式 2.女士身高体重相关计算经验公式 3.男士胖瘦等级的确定 4.女士胖瘦等级的确定 5.男士身高脚长相关计算经验公式 6.女士身高脚长相关计算经验公式 7.父子身高相关性研究 8.母子身高相关性研究 9.父女身高相关性研究 10.母女身高相关性研究 第五类:学习成绩 1.期末总评自动计算的设计与实现 2.成绩等级自动评定的设计与实现 3.成绩分段自动统计的设计与实现 4.成绩分布折线自动绘制的设计与实现 5.成绩自动统计分析的设计与实现 6.试卷分布自动分析的设计与实现 7.试卷难度自动分析的设计与实现 8.考试成绩名次自动生成的设计与实现

MATLAB程序设计课程设计

Matlab课程设计 题目: 二、利用混合空间法增强锐化图像仿真 将原始图像增强,最终增强为如下类似图像 。 可参考如下过程

源程序: clc clear all %读取图像 J=imread('E:\工作台\MATLAB\2016课程设计\仿真2附件 \Fig0343(a)(skeleton_orig).tif'); %拉普拉斯变换得到M1 [m,n]=size(J); I=im2double(J); h1=[0,-1,0;-1,4,-1;0,-1,0]; M1=imfilter(I,h1); %与原图相加得到M2,锐化原图 M2=M1+I; %sobel算子运算结果得到M3,保留边缘去除噪声 h2=[1,0,-1;2,0,-2;1,0,-1]; h3=[-1,-2,-1;0,0,0;1,2,1]; Sx=imfilter(I,h2); Sy=imfilter(I,h3); for i=1:m for j=1:n M3(i,j)=sqrt((Sx(i,j))^2+(Sy(i,j))^2); end end %作3*3模板的均值平滑 M4=zeros(m,n); for x=2:m-1 for y=2:n-1 for a=-1:1 for b=-1:1 M4(x,y)=(M4(x,y)+M3(x+a,y+b))/9; end end end end for c=1:m for d=1:n M4(c,1)=M3(c,1); M4(1,d)=M3(1,d); end end %作幂次变换,提升亮度2倍,提升对比度 for e=1:m for f=1:n

M5(e,f)=M2(e,f)*M4(e,f); end end M6=I+M5; for g=1:m for h=1:n M7(g,h)=2*(M6(g,h))^1.15; end end subplot(241);imshow(I); subplot(242);imshow(M1); subplot(243);imshow(M2); subplot(244);imshow(M3); subplot(245);imshow(M4); subplot(246);imshow(M5); subplot(247);imshow(M6); subplot(248);imshow(M7); 分析: 1.读取图像 2.利用 Laplacian 变换得到M1,在与原图相处理得到锐化的图像 3.用 Sobel 算子运算,保留边缘去除噪声 4.用3*3的模板均值平滑化图像 5.用幂律定理,提高图像亮度,提高对比度

matlab课程设计题目全

Matalab课后作业 学院:电气信息工程及其自动化 班级: 学号: 姓名: 完成日期: 2012年12月23日

1、 matlab 软件主要功能是什么?电气工程及其自动化专业本科生主要用到哪 些工具箱,各有什么功能? 答:(1)主要功能:工业研究与开发; 数学教学,特别是线性代数;数值分析和科学计算方面的教学与研究;电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究; 经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究;符号计算功能;优化工具;数据分析和可视化功能;“活”笔记本功能;工具箱;非线性动态系统建模和仿真功能。 (2)常用工具箱: (a ) MATLAB 主工具箱:扩充matlab 的数值计算、符号运算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。 (b )符号数学工具箱:符号表达式、符号矩阵的创建;符号可变精度求解;因式分解、展开和简化;符号代数方程求解;符号微积分;符号微分方程。 (c ) SIMULINK 仿真工具箱: Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 (d )信号处理工具箱:数字和模拟滤波器设计、应用及仿真;谱分析和估计;FFT 、DCT 等 变换;参数化模型。 (e )控制系统工具箱:连续系统设计和离散系统设计;状态空间和传递函数以及模型转换;时域响应(脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应);频域响应(Bode 图、Nyquist 图);根轨迹、极点配置。 2、设y=23e t 4-sin(43t+3 ),要求以0.01秒为间隔,求出y 的151个点,并求出其导数的值和曲线。 程序如下: clc clear x=0:0.01:1.5; y=sqrt(3)/2*exp(-4*x).*sin(4*sqrt(3)*x+pi/3); y1=diff(y); subplot(2,1,1) plot(x,y) subplot(2,1,2) plot(x(1:150),y1) 曲线如下图所示:

MATLAB仿真课程设计

电气工程工具软件课程设计-MATLAB 学号:3100501044 班级:电气1002 姓名:王辉军 指导老师:乔薇 2014年1月16日

课程设计任务:构建一个含有PID控制器的系统,观察 K(比例系数)、 p K(积分系数)、d K(微分系数)不同值时系统的变化。 i (Continuous模块库中的Zero-Pole模块)输入为阶跃函数 一.建立含有pid子系统的系统模型 (1)选用器件搭建电路 图1-1 图1-2 (2)构建PID控制器 图1-3

(3)上述结构图封装成PID控制器 ①创建子系统。选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/Creat Subsystem” ②封装。选中上述子系统模块,再选择模型窗口菜单“Edit/Mask Subsystem” ③根据需要,在封装编辑器对话框中进行一些封装设置,包括设置封装文本、对话框、图标等。本次试验主要需进行以下几项设置:Icon(图标)项:“Drawing commands”编辑框中输入“disp(‘PID’)”,如下 左图示:Parameters(参数)项:创建Kp,Ki,Kd三个参数,如下右图示 图1-4 图1-5

(4)搭建单一回路系统结构框图如下图 图1-6 所需模块及设置:Sources模块库中Step模块;Sinks模块库中的Scope 模块;Commonly UsedBlocks模块库中的Mux模块;Continuous模块库中的Zero-Pole模块。Step模块和Zero-Pole模块设置如下: 图1-7 图1-8

二.比较以下参数的结果:(把各个仿真波形图截图标注) 图2-1 如上图可更改Kp,Ki,Kd的值以实现以下要求: (1)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 图2-2 (2)Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5

自控专业设计的方法和步骤

.自控工程设计的任务 自控工程专业设计的任务基本上有以下几个方面: 1.1负责生产装置、辅助工程和公用工程系统的检测、控制、报警、联锁/ 停车, 以及监控/ 管理计算机系统的设计; 1.2负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型设计; 1.3负责监测仪表和控制系统的安装设计; 1.4负责DCS PLC自控系统的配置、功能要求和设备选型,并负责或参加软 件的编制工作; 1.5负责现场仪表的环境防护措施的设计; 1.6负责控制室的设计; 1.7负责生产过程计量系统的设计。 自控工程设计常用的方法是由工艺专业提出条件,自控与工艺专业一起讨论确定控制方案,确定必要的中间储槽及其容量,确定合适的设备余量,确定开、停车以及紧急事故处理方案等。这种设计方法对合理确定控制方案,充分发挥自控专业的主观能动性是有益的。但是在实际设计过程中,尤其对一些新工艺,主要是由工艺专业提出条件并确定控制方案,自控专业进行设计,我们当前基本采用这种方法。 2.自控工程设计的阶段划分和设计内容 当前工程设计的阶段划分,一般分为两个阶段,即初步设计和施工图设计 2.1初步设计 初步设计的主要目的是为了上报有关部门作为审批的依据,并为订货做好必要的准备。它应完成的主要内容为: 设计说明书:给出设计依据、设计原则,提出项目实施的必要性,拟定控制系统的技术方案、仪表选型规定、DCS空制系统的选型及控制策略,并从节能、消防、环境保护以及劳动安全卫生等方面作出设计概述。 工艺控制流程图:在工艺专业流程图的基础上,正确选定所需的检测点及其安装位置,选择必要的被控变量和恰当的操纵变量,绘制于工艺流程图上。图例符号应符合化工部标准《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号(HG 20505)》或国标《过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号(GB 2625) 》。 主要仪表设备、材料汇总表:汇总所有控制系统所需设备及相应材料,给出名称、数量,为订货以及概算提供依据。 初步设计概算:从建筑工程、设备、安装工程、工器具费等方面进行综合概算。 2.2施工图设计施工图设计是直接应用于施工的图纸设计。当前我们常用的施工图 设计文 件由以下内容组成: 1)图纸目录 2)设计说明书 3)材料表 4)设备明细表 5)工艺专业提资表

《自动控制原理》MATLAB分析与设计

《自动控制原理》MATLAB分析与设计 仿真实验报告 第三章线性系统的时域分析法 1、教材P136.3-5系统进行动态性能仿真,并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较,分析仿真结果; (1)原系统的动态性能 SIMULINK仿真图: 仿真结果: 分析:从图中可以看出:峰值时间:tp=3.2s,超调量18.0%,调节时间ts=7.74s。 (2)忽略闭环零点的系统动态性能 SIMULINK仿真图:

仿真结果: 分析:从图中可以看出:峰值时间:tp=3.6s,超调量16.7%,调节时间ts=7.86s。 (3)两种情况动态性能比较 SIMULINK仿真图: 仿真结果:

原系统 忽略闭环零点 分析:通过比较可以看出闭环零点对系统动态性能的影响为:减小峰值时间,使系统响应速度加快,超调量增大。这表明闭环零点会减小系统阻尼。 3-9系统 SIMULINK仿真图: 仿真结果:

Scope0 分析:从图中可以看出:峰值时间:tp=1.05s,超调量35.1%,调节时间ts=3.54s(△=2%)。 Scope1 分析:从图中可以看出:峰值时间:tp=0.94s,超调量37.1%,调节时间ts=3.44s(△=2%)。

Scope2 分析:由于计算机在计算的过程也存在误差,因此,不同的参数时,两条线重合,需将闭环传递函数计算出来再作比较。 计算出闭环传递函数 SIMULINK仿真图:

分析:从图中可以看出:峰值时间:tp=1.05s,超调量35.1%,调节时间ts=3.54s(△=2%)。 Scope4 分析:从图中可以看出:峰值时间:tp=0.94s,超调量37.1%,调节时间ts=3.44s(△=2%)。

MATLAB课程设计报告图像处理

一.课程设计相关知识综述...................................................................... 1.1 研究目的及意义 (3) 1.2 数字图像处理研究的内容........................................................... 1.3 MATLAB 软件的介绍.................................................................. 1.3.1 MATLAB 语言的特点......................................................... 1.3.2 MATLAB 图像文件格式.................................................... 1.3.3 MATLAB 图像处理工具箱简介........................................ 1.3.4 MATLAB 中的图像类型.................................................... 1.3.5 MATLAB 的主要应用........................................................ 1.4 函数介绍........................................................................................ 二.课程设计内容和要求........................................................................... 2.1 主要研究内容................................................................................ 2.2 具体要求....................................................................................... 2.3 预期达到的目标........................................................................... 三.设计过程............................................................................................... 3.1 设计方案及步骤............................................................................ 3.2 程序清单及注释........................................................................... 3.3 实验结果........................................................................................ 四.团队情况................................................................................................ 五.总结....................................................................................................... 六.参考文献............................................................................................... 一.课程设计相关知识综述. 1.1研究目的及意义

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