《自动控制系统综合课程设计与实践指导02》.doc

自动控制系统综合课程设计与实践指导 周 勇 自动控制系统综合课程设计总体要求 自动控制系统综合课程设计是一个实践性很强的教环节，以综合课程设计为重点，加强自动控制系统基本理论的学习和基本技能的训练，启发学生创新思维以及独立解决实际问题的能力。自动控制系统日新月异的发展必将给我们提供很好的学习和训练的机会。 一、适用专业 自动化、电气工程及其自动化、电子技术、应用电子技术、电力系统及其自动化等。根据不同层次的专业和安排的学时数。自动控制系统综合课程设计与实践的内容、要求可以有所不同。鼓励和支持学生多做实用、创新和具有挑战性的项目。 二、基本要求 1.综合运用自动控制系统课程中所学到的理论知识去独立完成一个自动控制系统综合课程设计与实践课题。 2.通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。 3.进一步熟悉实用的自动控制系统类型和特性，并掌握合理选用的原则。 4.学会实用、筒单的自动控制系统MATLAB仿真设计。 5.进一步熟悉MATLAB仿真软件的使用方法。 6.学会撰写自动控制系统课程设计与实践报告。 7.培养严肃认真的工作作风、严谨的科学态度和遵守纪律。 三、基本做法 1．自动控制系统课程设计与实践期间，按上课时间到实验室报到。 2．撰写自动控制系统综合课程设计与实践报告。 3．实践任务完成后。现场考核自动控制系统综合课程设计与实践报告，能准确流利地回答各种问题。 4．上交自动控制系统综合课程设计与实践报告。搞好清洁卫生。 四、评定成绩 1．设计与实践的电路、自动控制系统。有无使用价值，有无创新内容。 2．现场考核：仿真设计中分析解决问题能力、以及创新精神等。自动控制系统综合课程设计与实践报告。 3．遵守纪律、学习态度、工作作风和科学精神等。 设计部分 第一章 MATLAB在控制理论中的应用 1.1 概述 MATLAB提供了大量的控制工程计算、设计库函数。其中，控制系统软件包包括复数运算、特征值计算、方程求解、矩阵变换以及FFT等重要计算工具及举例。MATLAB的线性代数处理，矩阵运算和数值分析的能力为控制系统工程设计及其它学科研究提供了可靠的基础和强有力的研究工具。 控制系统软件包利用MATLAB矩阵功能提供了适用于控制工程的专用函数，这些函数大部分用M文件表示。控制系统软件包可以方便地用于控制系统设计、分析和建模。 在控制系统软件包中，控制系统通常采用传递函数与状态空间两种形式建模，允许“经典”和“现代”技术并用，既可处理连续时间系统也可处理离散时间系统，并且可以进行不同模型表示形式之间的相互转换，也可以计算和绘制时间响应、频率响应及根轨迹图。此外M文件还能够进行极点配置和最优控制器的参数计算。即使在软件包中没有提供的功能，也可以通过编写新的M文件方式来构造。 1.1.1系统模型 控制系统软件包可用于线性时不变（简称LTI）系统模型。时不变系统模型包括：状态空间模型；传递函数模型；零一极点增益模型；部分分式模型；离散时间模型。 下面介绍如何用矩阵表示不同类型的线性时不变系统模型。 〔1〕状态空间模型 一个LTI微分方程系统总可以用一组一阶微分方程组来表示。按矩阵或状态空间表示形式，LTI系统模型的一般形式如下 　　=Ax＋Bu 　　 y=Cx＋Du 其中：u是一个nu维控制输入向量，x是一个ns维状态向量，y是ny维输出向量。 采用MATLAB表示状态空间系统十分容易。A，B，C，D都是矩阵，均作为独立变量处理。 例 设有一个具有两个极点的二阶系统，自然角频率ωn=1.5，阻尼系数ξ=0.2。按下面状态空间模型表示形式输入该系统 Wn=1.5； z= 0.2； a=［0 1 -Wn^2 -2*z*Wn]； b=［0 Wn^2]； c=[1 0]； d=0； 在MATLAB中，采用状态空间表示系统模型是最通用的LTI系统模型的表示形式。对于多输入多输出（简称MIMO）系统，状态空间表示是唯一容易处理的模型表示形式之一。 （2）传递函数模型 状态空间系统模型的等效表示是拉氏变换的传递函数形式如下 Y（S）=H（S）U（S） 其中：H（s）=C（SI－A）-1B＋D 在通常情况下，H（S）需要用三维矩阵表示，即H（S）的维数是ny行，nu列，ns＋1阶，其中ns＋1是多项式的系数。由于MATLAB变量都是两维的，因此，只限于用单输入（输入是一维的 u）多输出（简称为SIMO）系统描述方式