控制系统CAD案例
控制系统CAD与仿真实验指导书
实验一MATLAB的实验环境及基本命令一实验目的：1．学习了解MA TLAB的实验环境2．在MA TLAB系统命令窗口练习有关MA TLAB命令的使用。
二实验步骤1．学习了解MA TLAB的实验环境：在Windows桌面上，用mouse双击MA TLAB图标，即可进入MA TLAB系统命令窗口：图1-1 MA TLAB系统命令窗口①在命令提示符”>>”位置键入命令:help此时显示MA T ALAB 的功能目录， 其中有“Matlab\general ”，“toolbox\control ”等；阅读目录的内容；② 键入命令：intro此时显示MA TLAB 语言的基本介绍，如矩阵输入、数值计算、曲线绘图等。
要求阅读命令平台上的注释内容，以尽快了解MA TLAB 语言的应用。
③ 键入命令：help help显示联机帮助查阅的功能，要求仔细阅读。
④ 键入命令：into显示工具箱中各种工具箱组件和开发商的联络信息。
⑤ 键入命令：demo显示MA TLAB 的各种功能演示。
2． 练习MA TLAB 系统命令的使用。
① 表达式MA TLAB 的表达式由变量、数值、函数及操作符构成。
实验前应掌握有关变量、数值、函数及操作符的有关内容及使用方法。
练习1-1: 计算下列表达式:要求计算完毕后，键入相应的变量名，查看并记录变量的值。
②．向量运算： )6sin(/250π=d 2/)101(+=a )sin(3.2-=e c i b 53+=n 维向量是由n 个成员组成的行或列数组。
在MA TLAB 中，由分号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；由逗号或空号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；同维的向量可进行加减运算，乘法须遵守特殊的原则。
练习1-2已知：X=[2 ；-4；8]求 ：Y=R ＇；P=5*R ；E=X .*Y ；S=X ＇* Y练习1-3⑴产生每个元素为1的4维的行向量；⑵产生每个元素为0的4维的列向量；⑶产生一个从1到8的整数行向量，默认步长为1；⑷产生一个从π到0，间隔为π/3的行向量；③矩阵基本运算操作。
某设备控制系统CAD示意图
整套变风量系统控制cad方案设计施工图
某厂区门禁监控控制系统平面布置设计方案CAD图纸
控制系统仿真与CAD-实验报告
《控制系统仿真与CAD》实验课程报告一、实验教学目标与基本要求上机实验是本课程重要的实践教学环节。
实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过上机加强学生的实验手段与实践技能，掌握应用MATLAB/Simulink 求解控制问题的方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质。
通过对MATLAB/Simulink进行求解，基本掌握常见控制问题的求解方法与命令调用，更深入地认识和了解MATLAB语言的强大的计算功能与其在控制领域的应用优势。
上机实验最终以书面报告的形式提交，作为期末成绩的考核内容。
二、题目及解答第一部分：MATLAB 必备基础知识、控制系统模型与转换、线性控制系统的计算机辅助分析1.>>f=inline('[-x(2)-x(3);x(1)+a*x(2);b+(x(1)-c)*x(3)]','t','x','flag','a','b','c');[t,x]=ode45( f,[0,100],[0;0;0],[],0.2,0.2,5.7);plot3(x(:,1),x(:,2),x(:,3)),grid,figure,plot(x(:,1),x(:,2)), grid2.>>y=@(x)x(1)^2-2*x(1)+x(2);ff=optimset;rgeScale='off';ff.TolFun=1e-30;ff.Tol X=1e-15;ff.TolCon=1e-20;x0=[1;1;1];xm=[0;0;0];xM=[];A=[];B=[];Aeq=[];Beq=[];[ x,f,c,d]=fmincon(y,x0,A,B,Aeq,Beq,xm,xM,@wzhfc1,ff)Warning: Options LargeScale = 'off' and Algorithm ='trust-region-reflective' conflict.Ignoring Algorithm and running active-set algorithm. To runtrust-region-reflective, setLargeScale = 'on'. To run active-set without this warning, useAlgorithm = 'active-set'.> In fmincon at 456Local minimum possible. Constraints satisfied.fmincon stopped because the size of the current search direction is less thantwice the selected value of the step size tolerance and constraints aresatisfied to within the selected value of the constraint tolerance.<stopping criteria details>Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-20):lower upper ineqlin ineqnonlin2x =1.00001.0000f =-1.0000c =4d =iterations: 5funcCount: 20lssteplength: 1stepsize: 3.9638e-26algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search'firstorderopt: 7.4506e-09constrviolation: 0message: [1x766 char]3.(a) >> s=tf('s');G=(s^3+4*s+2)/(s^3*(s^2+2)*((s^2+1)^3+2*s+5))G =s^3 + 4 s + 2------------------------------------------------------s^11 + 5 s^9 + 9 s^7 + 2 s^6 + 12 s^5 + 4 s^4 + 12 s^3Continuous-time transfer function.(b)>> z=tf('z',0.1);H=(z^2+0.568)/((z-1)*(z^2-0.2*z+0.99))H =z^2 + 0.568-----------------------------z^3 - 1.2 z^2 + 1.19 z - 0.99Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.4.>> A=[0 1 0;0 0 1;-15 -4 -13];B=[0 0 2]';C=[1 00];D=0;G=ss(A,B,C,D),Gs=tf(G),Gz=zpk(G)G =a =x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -15 -4 -13b =u1x1 0x2 0x3 2c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gs =2-----------------------s^3 + 13 s^2 + 4 s + 15 Continuous-time transfer function.Gz =2---------------------------------(s+12.78) (s^2 + 0.2212s + 1.174) Continuous-time zero/pole/gain model.5.设采样周期为0.01s>> z=tf('z',0.01);H=(z+2)/(z^2+z+0.16) H =z + 2--------------z^2 + z + 0.16Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.6.>> syms J Kp Ki s;G=(s+1)/(J*s^2+2*s+5);Gc=(Kp*s+Ki)/s;GG=feedback(G*Gc,1) GG =((Ki + Kp*s)*(s + 1))/(J*s^3 + (Kp + 2)*s^2 + (Ki + Kp + 5)*s + Ki)7.(a)>>s=tf('s');G=(211.87*s+317.64)/((s+20)*(s+94.34)*(s+0.1684));Gc=(169.6*s+400)/(s*(s+4));H=1/(0.01*s+1);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG)GG =359.3 s^3 + 3.732e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056----------------------------------------------------------------0.01 s^6 + 2.185 s^5 + 142.1 s^4 + 2444 s^3 + 4.389e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056Continuous-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x6x1 -218.5 -111.1 -29.83 -16.74 -6.671 -3.029x2 128 0 0 0 0 0x3 0 64 0 0 0 0x4 0 0 32 0 0 0x5 0 0 0 8 0 0x6 0 0 0 0 2 0b =u1x1 4x2 0x3 0x4 0x5 0x6 0c =x1 x2 x3 x4 x5 x6y1 0 0 1.097 3.559 1.668 0.7573d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gz =35933.152 (s+100) (s+2.358) (s+1.499)----------------------------------------------------------------------(s^2 + 3.667s + 3.501) (s^2 + 11.73s + 339.1) (s^2 + 203.1s + 1.07e04) Continuous-time zero/pole/gain model.(b)设采样周期为0.1s>>z=tf('z',0.1);G=(35786.7*z^2+108444*z^3)/((1+4*z)*(1+20*z)*(1+74.04*z));Gc= z/(1-z);H=z/(0.5-z);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG)GG =-108444 z^5 + 1.844e04 z^4 + 1.789e04 z^3----------------------------------------------------------------1.144e05 z^5 +2.876e04 z^4 + 274.2 z^3 + 782.4 z^2 + 47.52 z + 0.5Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x1 -0.2515 -0.00959 -0.1095 -0.05318 -0.01791x2 0.25 0 0 0 0x3 0 0.25 0 0 0x4 0 0 0.125 0 0x5 0 0 0 0.03125 0b =u1x1 1x2 0x3 0x4 0x5 0c =x1 x2 x3 x4 x5y1 0.3996 0.6349 0.1038 0.05043 0.01698d =u1y1 -0.9482Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time state-space model.Gz =-0.94821 z^3 (z-0.5) (z+0.33)----------------------------------------------------------(z+0.3035) (z+0.04438) (z+0.01355) (z^2 - 0.11z + 0.02396)Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time zero/pole/gain model.8.>>s=tf('s');g1=1/(s+1);g2=s/(s^2+2);g3=1/s^2;g4=(4*s+2)/(s+1)^2;g5=50;g6=(s^2+2) /(s^3+14);G1=feedback(g1*g2,g4);G2=feedback(g3,g5);GG=3*feedback(G1*G2,g6) GG =3 s^6 + 6 s^5 + 3 s^4 + 42 s^3 + 84 s^2 + 42 s---------------------------------------------------------------------------s^10 + 3 s^9 + 55 s^8 + 175 s^7 + 300 s^6 + 1323 s^5 + 2656 s^4 + 3715 s^3 + 7732 s^2 + 5602 s + 1400Continuous-time transfer function.9.>>s=tf('s');T0=0.01;T1=0.1;T2=1;G=(s+1)^2*(s^2+2*s+400)/((s+5)^2*(s^2+3*s+100 )*(s^2+3*s+2500));Gd1=c2d(G,T0),Gd2=c2d(G,T1),Gd3=c2d(G,T2),step(G),figure,st ep(Gd1),figure,step(Gd2),figure,step(Gd3)Gd1 =4.716e-05 z^5 - 0.0001396 z^4 + 9.596e-05 z^3 + 8.18e-05 z^2 - 0.0001289 z + 4.355e-05----------------------------------------------------------------z^6 - 5.592 z^5 + 13.26 z^4 - 17.06 z^3 + 12.58 z^2 - 5.032 z + 0.8521Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.Gd2 =0.0003982 z^5 - 0.0003919 z^4 - 0.000336 z^3 + 0.0007842 z^2 - 0.000766 z + 0.0003214----------------------------------------------------------------z^6 - 2.644 z^5 + 4.044 z^4 - 3.94 z^3 + 2.549 z^2 - 1.056 z + 0.2019Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd3 =8.625e-05 z^5 - 4.48e-05 z^4 + 6.545e-06 z^3 + 1.211e -05 z^2 - 3.299e-06 z + 1.011e-07---------------------------------------------------------------z^6 - 0.0419 z^5 - 0.07092 z^4 - 0.0004549 z^3 + 0.002495 z^2 - 3.347e-05 z + 1.125e-07Sample time: 1 secondsDiscrete-time transfer function.10.(a)>> G=tf(1,[1 2 1 2]);eig(G),pzmap(G) ans =-2.0000-0.0000 + 1.0000i-0.0000 - 1.0000i系统为临界稳定。
电气火灾监控系统设计cad图，含设计说明
某酒店电气系统CAD图
控制系统CAD软件的设计与应用
<全国自动化科学技术应用学术会议>>2000年控制系统CAD软件的设计与应用周黎辉董泽韩璞(华北电力大学动力工程系,保定071003)摘要论述了在控制系统CAD——CAE2000系统的软件设计中，采用了面向对象的方法进行需求分析、结构设计和软件开发的软件设计过程，解决了如何组态任意控制系统的问题，使其满足方框图语言与可视化相结合的技术要求，使系统的设计更加规范，系统的可维护性、可扩展性都大为提高。
关键词面向对象控制计算机辅助设计方框图语言1．引言在过去的十几年中，控制系统计算机辅助设计（CSCAD）技术已经发生了重大变化，特别是其CAD算法日益成熟，已经形成了比较完善的算法体系，但是在实际应用中，往往缺乏具有较好的通用性、便利性和开放性的软件工具。
由于近几年计算机软、硬件技术的快速发展，以及设计理论上的重大突破，使得大型的CSCAD平台化软件工具得以能够实现，而且辅助设计、辅助分析和辅助教学等多种功能已经融合在一起[1]。
2．CAE2000系统目前国外已经出现了一些有代表性的、成熟的CSCAD软件，比如MATLAB、ISL、VisSim和MATRIXx等，其中由美国MathWorks公司推出的MATLAB软件以及与之配套的SIMULINK软件由于采用了面向方框图语言技术与可视化技术，使得其成为功能较完善和具有代表性的CSCAD软件之一[2]。
到九十年中期，我国新一代CSCAD软件的开发，还处于起步阶段，基本上还没有与之相当的软件面世。
针对这种新的发展，我们开发了一套CSCAD系统——CAE2000系统。
CAE2000系统是一个集控制系统计算机辅助分析、辅助设计和辅助教学为一体的多功能、一体化的计算机辅助工程系统。
该系统除了具有一般CSCAD软件的组态、仿真功能外，还特别为接近工程实际和结合过程控制的特点，具备了实时仿真、通过过程通道设备与硬件结合仿真、软操作面板以及过程控制流程图等多种功能，这些功能是一般同类软件所不具备的，同时CAE2000还提供了拟合传递函数、控制器参数寻优、控制理论分析、控制系统CAD算法以及多种现代控制器研究等一系列从工程实际到理论分析的多种工具，这些也是一般CSCAD软件所不具备的。
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【例1】已知单位反馈系统的被控对象为试设计串联校正器，使得：①在单位斜坡信号t t r )(的作用下，系统的速度误差系数Kv ≥30sec-1；②系统校正后的截止频率ωc≥2.3rad/sec ；③系统校正后的相位稳定裕度Pm>40°。
采用Bode 图设计方法。
（1）确定K 0 根据控制理论，给定被控对象为I 型系统，单位斜坡响应的速度误差系数Kv =K = K 0≥30sec-1，其中K 0是系统的开环增益。
取K 0=30sec -1，则被控对象的传递函数为（2）作原系统的Bode 图和阶跃响应曲线，检查是否满足要求编写M 脚本文件exam1_1.m 如下： % exam1_1cleark0=30; z=[]; p=[0;-10;-5]; sys0=zpk(z,p,k0*10*5);figure(1); margin(sys0) % 函数figure 用来创建图形窗口 figure(2); step(feedback(sys0,1)), grid运行exam1_1.m 后，得到如图1所示未校正系统的Bode 图和阶跃响应曲线。
(a) 未校正系统的Bode 图和频域性能(b) 未校正系统的单位阶跃响应图1 未校正系统的频域性能和时域响应根据计算可知未校正系统的频域性能指标为：对数幅值稳定裕度G m0=-6.02dB-180°穿越频率ωg0=7.07 rad/sec相位稳定裕度P m0=-17.2°截止频率ωc0=9.77 rad/sec由计算所得数据知：对数幅值稳定裕度和相位稳定裕度均为负值，这样的系统根本无法工作。
这一点也可从如图1(b)所示发散振荡的阶跃响应曲线看出，系统必须进行校正。
（3）求校正器的传递函数由于给定的开环截止频率ωc≥2.3rad/sec，远小于ωc0=9.77 rad/sec，可以通过压缩频带宽度来改善相位裕度，因此采用串联滞后校正是合理的。
令校正器的传递函数为显然，应有β>1。
①确定新的开环截止频率ωc希望的相位稳定裕度Pm>40°，所以根据滞后校正的设计方法，应有其中，（2°~5°）是附加相位补偿角。
取其等于5°，则有于是，有从图1（a ）的对数相频特性图上可以取得对应于-135°的ω为2.77rad/sec ，即有② 计算高频衰减率β 从图1（a ）的对数幅频特性图上可以取得对应于sec /77.2rad c =ω的L 为19.2dB 。
于是，有从而③ 计算两个转折频率ω1和ω2 所以，校正器的传递函数为校正后的开环传递函数为（4）校验系统校正后的频域性能是否满足要求编写M 脚本文件exam1_2.m 如下： % exam1_2clear,clck0=30; z=[]; p=[0,-10,-5]; sys0=zpk(z,p,k0*10*5);n=[3.6,1]; d=[32.9,1]; sys1=tf(n,d);sys=tf(sys0)*sys1;figure(1); margin(sys); hold onfigure(2); step(feedback(sys,1)), grid运行exam1_2.m 后，得到如图2所示校正后系统的Bode 图和阶跃响应曲线。
(a) 校正后系统的Bode 图和频域性能(b) 校正后系统的单位阶跃响应图2 校正后系统的频域性能和时域响应根据计算可知校正后系统的频率性能指标为：对数幅值稳定裕度Gm=12.5dB-180°穿越频率ωg=6.8 rad/sec相位稳定裕度Pm=40.3°截止频率ωc=2.78 rad/sec显然，系统校正后的相位稳定裕度和截止频率均满足给定要求。
补充控制系统工具箱中的实用工具—SISO系统设计工具经典控制理论设计系统基本上是“分析+画图”的试探方法，既繁琐又可能得不到预期的效果。
利用MATLAB的控制系统工具箱通过简单的编程，可以完成系统的设计。
但对于不太熟悉MATLAB的用户，使用起来有一定的难度。
而利用MATLAB控制系统工具箱中提供的SISO系统设计工具（SISO Design Tool），可以直观地在图中进行设计，从而使用户快速方便地完成系统校正的工作。
SISO系统设计工具可以完成的功能如下：•利用根轨迹方法计算系统闭环特性。
• 针对开环系统的Bode 图进行系统设计。
• 添加补偿器的零极点。
• 设计超前、滞后补偿器和滤波器。
• 分析闭环系统响应。
• 调整系统幅值或相位稳定裕度。
• 系统在连续和离散状态下的互换。
下面以一个例子说明如何利用SISO 系统设计工具设计系统补偿器。
【例2】 已知单位反馈系统的被控对象为试设计串联补偿器，使得：①在单位斜坡信号t t r =)(的作用下，系统的速度误差系数K v ≥30sec -1；②系统校正后的截止频率ωc ≥2.3sec -1；③系统校正后的相位稳定裕度Pm> 40°。
说明• 本例即为【例1】，这里介绍如何用SISO 系统设计工具进行系统设计。
（1）确定K 0根据控制理论，给定被控对象为I 型系统，单位斜坡响应的速度误差系数K v =K =K 0≥30sec -1，其中K 0是系统的开环增益。
取K 0 =30sec -1，则被控对象的传递函数为（2）输入被控对象并打开SISO 系统设计工具在MATLAB 指令窗中键入>> clear>>k0=30; z=[]; p=[0;-10;-5]; sys0=zpk(z,p,k0*10*5);>>sisotool(sys0)就可以打开SISO系统设计工具操作桌面，如图3所示。
(a) sisotool设计结构(b) sisotool设计任务图3 sisotool操作桌面在该操作桌面中除了给出了开环系统的根轨迹图和Bode 图以及一些常用菜单外，还提供了许多其它信息和按钮。
其中：•图3（a）所示的补偿器编辑器（Compensator Editor）给出了当前补偿器的结构描述，默认的补偿器为C。
可以直接在增益编辑框（描述区中的小方块）s(=)1中改变补偿器的增益值。
•图3（a）所示的反馈结构图给出了当前反馈系统的整个结构。
F为前置滤波器，C为补偿器，G为被控对象（在本例中即为sys0），H为传感器。
用户可以根据需要使用上述4个模块构造实际系统。
单击各模块可以观察各模块的当前属性。
左下角的按钮可以切换正/负反馈。
•图3（b）根轨迹工具条上的几个按钮（）用来增加或者删除补偿器的零极点，还可以拖曳闭环系统的极点。
左面的第一个按钮为拖曳补偿器的零极点和闭环极点，它为默认方式；第二个按钮为增加补偿器的实数极点；第三个按钮为增加补偿器的实数零点；第四个按钮为增加补偿器的复数极点；第五个按钮为增加补偿器的复数零点；第六个按钮为删除补偿器的零极点。
（3）观察系统的单位阶跃响应曲线，检查是否满足要求在图3（b）通过选择【Analysis : Response to Step Command】下拉菜单项，就得到如图4所示的闭环系统的单位阶跃响应。
图4未校正系统的单位阶跃响应其中，蓝线表示闭环系统的单位阶跃响应曲线；绿线表示补偿器的输出曲线。
从图3（b）和图4中可以看出，未校正系统的频域性能指标为：对数幅值稳定裕度Gm=-6.02dB-180°穿越频率ωg=7.07 rad/sec相位稳定裕度Pm=-17.2°、截止频率ωc=9.77 rad/sec对数幅值稳定裕度和相位稳定裕度均为负值，单位阶跃响应曲线是发散的，系统必须进行校正。
（4）Bode图方法设计补偿器根据Bode图分析该系统，可知应采用滞后校正。
在Bode 图上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Add Pole/Zero”下的“Lag”项，在控制器中增加一个滞后校正环节。
在校正后的截止频率ωc2=2.3sec-1附近按下鼠标，就可以在开环系统的Bode图增加一对滞后零极点。
左右调整滞后校正环节的零极点位置，观察Bode图中相位稳定裕度和截止频率，直到满足系统的性能指标为止。
图5和图6给出了校正后的系统Bode图和闭环系统的单位阶跃响应曲线。
图5校正后的系统Bode图图6 校正后的系统单位阶跃响应校正后系统的频域性能指标为：对数幅值稳定裕度Gm=13.2dB-180°穿越频率ωg=6.67rad/sec相位稳定裕度Pm=40.6°截止频率ωc=2.55rad/sec显然，系统校正后的相位稳定裕度和截止频率均满足给定要求。
点击图3（a）Compensator Editor框，可知所得到的补偿器的传递函数为说明•在拖曳补偿器的零极点位置时，可能会改变补偿器的增益值。
为此，可以直接点击图3（a）Compensator Editor框，在增益编辑框（描述区中的小方块）中恢复补偿器的增益值。
•在拖曳补偿器的零极点位置的过程中，图6中的单位阶跃响应曲线也会随着补偿器零极点位置的变化而改变，从而可以交互地观察系统的频域性能指标和时域性能指标。
•也可以利用根轨迹法设计补偿器，读者自己完成。