自动控制原理及系统仿真课程设计综述

自动控制原理及系统仿

真课程设计

学号：1030620227

姓名：李斌

指导老师：胡开明

学院：机械与电子工程学院

2013年11月

目录

一、设计要求 (1)

二、设计报告的要求 (1)

三、题目及要求 (1)

（一）自动控制仿真训练 (1)

（二）控制方法训练 (19)

（三）控制系统的设计 (23)

四、心得体会 (27)

五、参考文献 (28)

自动控制原理及系统仿真课程设计 一：设计要求：

1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。

2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。

3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。

4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。

二：设计报告的要求：

1.理论分析与设计

2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。

3.设计中的心得体会及建议。

三：题目及要求

一）自动控制仿真训练

1.已知两个传递函数分别为：s

s x G s x G +=+=

22132)(,131)(

①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；

MATLAB代码：

num=[1]

den=[3 1]

G=tf(num,den)

[E F]=zero(G)

[A B C D]=tf2ss(num,den)

num=[2]

den=[3 1 0]

G=tf(num,den)

[E F]=zero(G)

[A B C D]=tf2ss(num,den)

仿真结果：

num =2

den =3 1 0

Transfer function:

2

---------

3 s^2 + s

E = Empty matrix: 0-by-1

F = 0.6667

A =-0.3333 0

1.0000 0

B= 1

C = 0 0.6667

D = 0

num = 1

den =3 1

Transfer function:

1

-------

3 s + 1

E =Empty matrix: 0-by-1

F =0.3333

A = -0.3333

B =1

C =0.3333

D =0

②在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系

统模型。

MATLAB代码：

num1=[1]

den1=[3 1]

G1=tf(num1,den1) num2=[2]

den2=[3 1 0]

G2=tf(num2,den2) G3=G1*G2

G4=G1+G2

仿真结果：

num1 =1

den1 =3 1 Transfer function:

1

-------

3 s + 1

num2 =2

den2 = 3 1 0 Transfer function:

2

---------

3 s^2 + s

Transfer function:

2

-----------------

9 s^3 + 6 s^2 + s

Transfer function:

3 s^2 + 7 s + 2

-----------------

9 s^3 + 6 s^2 + s

2.系统的传递函数模型为2450351024

247)(23423+++++++=s s s s s s s s G ，判断系

统的稳定性。

MATLAB 代码：

num=[1 7 24 24]

den=[1 10 35 50 24]

G=tf(num,den)

p=eig(G)

p1=pole(G)

r=roots(den)

仿真结果：

num = 1 7 24 24

den = 1 10 35 50 24

Transfer function:

s^3 + 7 s^2 + 24 s + 24

---------------------------------

s^4 + 10 s^3 + 35 s^2 + 50 s + 24

p =-4.0000

-3.0000

-2.0000

-1.0000

p1=-4.0000

-3.0000

-2.0000

-1.0000

r =-4.0000

-3.0000

-2.0000

-1.0000

3.单位负反馈系统的开环传递函数为)22)(73.2()(2+++=s s s s k

s G ，

绘制根轨迹图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。

MATLAB 代码：

num=1

den=conv([1 2.73 0],[1 2 2])

rlocus(num,den)

axis([-8 8 -8 8])

figure(2)

r=rlocus(num,den);

plot(r,'-')

axis([-8 8 -8 8])

gtext('x')

gtext('x')

gtext('x')

仿真结果：

num =1

den =1.0000 4.7300 7.4600 5.4600 0

4.已知系统的开环传递函数为)1

5.0)(12.0()

110(5)(2++++=s s s s s s G ，绘制系

统的Bode 图和Nyquist,并能够求出系统的幅值裕度和相角裕

度。

MATLAB代码：

s=tf('s')

G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)) figure(1)

bode(G)

grid

figure(2)

nyquist(G)

grid

axis([-2 2 -5 5])

仿真结果：

Transfer function:s

Transfer function:

50 s + 5

-------------------------------

0.5 s^4 + 1.1 s^3 + 0.7 s^2 + s

5．考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为 4324)(23+++=s s s s G ，33)(+-=s s s G c ，101.01)(+=s s H ，用MATLAB 语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。

MATLAB代码：num=[4]

den=[1 2 3 4]

G=tf(num,den)

G0=feedback(G,1) step(G0)

[y,t]=step(G0) plot(t,y)

num=[1 -3]

den=[1 3]

G=tf(num,den)

G0=feedback(G,1) step(G0)

[y,t]=step(G0) plot(t,y)

num=[1]

den=[0.01 1]

G=tf(num,den)

G0=feedback(G,1) step(G0)

[y,t]=step(G0) plot(t,y)

num1=[4]

den1=[1 2 3 4]

G1=tf(num1,den1) num2=[1 -3]

den2=[1 3]

G2=tf(num2,den2) num3=[1]

den3=[0.01 1]

G3=tf(num3,den3) G=G1*G2

G0=feedback(G,G3) step(G0)

[y,t]=step(G0) plot(t,y)

figure(2)

step(G)

[y,t]=step(G)

plot(t,y)

仿真结果：

num =4

den =1 2 3 4 Transfer function:

4

---------------------

s^3 + 2 s^2 + 3 s + 4 Transfer function:

4

---------------------

s^3 + 2 s^2 + 3 s + 8

y =1.0e+024 *0

……

-0.8394

2.3467

-3.8466

4.9206

-5.0901

3.9226

t = 0

1.4293

2.8586

4.2879

5.7172

7.1465

8.5758

. .……464.5216 465.9509 467.3802 468.8094

num =1 -3 den =1 Transfer function: s - 3

-----

s + 3

Transfer function: s - 3

-----

2 s

y = 1.0e+004 *

num =1

den =0.0100 1.0000 Transfer function:

1

----------

0.01 s + 1

Transfer function:

1

----------

0.01 s + 2

y =0

t=0

num1 =4

den1 =1 2 3 4 Transfer function:

4

---------------------

s^3 + 2 s^2 + 3 s + 4

num2 =1 -3

den2 =1 3

Transfer function:

s - 3

-----

s + 3

num3 =1

den3 =0.0100 1.0000 Transfer function:

1

----------

0.01 s + 1

Transfer function:

4 s - 12

-------------------------------

s^4 + 5 s^3 + 9 s^2 + 13 s + 12 Transfer function: