控制系统课程设计报告..docx

本科课程设计报告课程设计题目:　　　控制系统设计与仿真实验设备:含有MATLAB R2008a 的HP计算机一台.实验目的:　　通过实验，深入了解MATLAB矩阵实验室的操作，simulink仿真的使用以及各种控制系统的特性，从而为接下来的实体实验打下坚实的基础．有利于学习通过仿真对不能很轻易实现的实验进行分析研究，理解仿真与实际实验的密切关系．实验背景：　　一学期的自动控制原理课程修习；一学期的过程控制课程修习；一学期的控制系统设计与仿真课程修习；简单的MATLAB程序应用．　实验内容：任务一：了解MATLAB的使用环境，掌握基本的MATLAB编程语法和语句；MATLAB简介:MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、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，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的使用环境:MATLAB的使用界面如下:MATLAB语句熟悉:现以画图语句为例,简单介绍MATLAB编程环境.画图语句编程如下：t=0:pi/100:2*pi;y=sin(t);y1=sin(t+0.25);y2=sin(t+0.5);plot(t,y,--,t,y1,*,t,y2,.)axis([0 7 -0.1 1.1])输出结果如下：任务二：了解Simulink的使用环境，掌握Simulink的模块化编程步骤；由于是利用MATLAB进行仿真研究，所以主要熟悉MATLAB中关于MATLAB仿真以及画图方面的内容，现展示如下：一个简单的仿真模型：输出响应图：　　此图显示的是当阶跃响应在1s给入时，系统输出信号图像。任务三:对所有过程控制系统对象进行分析，分析所有参数的变化情况；过程控制系统对象，基本上可以如下分类： 自衡 单容 非自衡 自衡 多容 非自衡一.我们首先以单容水槽，即一阶系统为对象进行分析：被控对象的模型：1.无延迟的情况；对k的特性研究：观察上图，可以看出其稳态输出会随Ｋ的增大而增大,也就是说K之所以被定义为增益,就是由于当其变大时,信号也相当于被放大了.2.无延迟的情况；对T特性的研究。观察上图，可以看出输出趋于稳定所需的时间随Ｔ增大而增大,这就是说为什么我们把T叫做延迟时间,由于T的存在,信号的输出由原先的完全跟随改为指数式的延迟跟随,所以呈现出上图的趋势,一般平均稳定时间为3-4T.3.纯延迟对系统的影响:在这里,相当于系统引入一个纯延迟环节。此时被控对象的模型：我们取不同的延迟时间，可以观测到如下现象：我们发现，时滞会使输出趋于稳定的时间延长。如果拿实际模型解释，比如水槽的液位系统，这相当于水流由上阶段的入水口流入下阶段时进入了一个水管，延缓了它的行进过程．二.我们再以双容水槽，即二阶系统为对象进行分析：被控对象的模型：1.无延迟的情况下，k的特性分析，此时T1=T2=5．我们利用双容水槽为例，抽象出其数学模型，然后可以利用仿真工具绘制其仿真模型图．模型图如下：仿真结果为：我们发现，稳态输出的值依旧会随K的增大而增大．2.无延迟的情况下，T的特性分析，K=1.观察上图，由上到下我们顺序定义为１到６组，首先对比②③④3组，我们发现两个时间常数相差越大，ts、tr越大，输出达到稳定所需时间越长；然后观察①⑤⑥3条曲线，可知两个时间常数的平均值越大，ts、tr越大，输出达到稳定所需时间越长；最后对比③⑤两条圈形虚线，可以观察到，当两个时间常数的平均值相等的情况下，两个时间常数差距越大，tr越小，ts越大。３.纯滞后对系统的影响．还是一样的结论：纯滞后的引入会延长输出达到稳定的时间．三. 最后我们以多容水槽，即多阶系统为对象进行分析：被控对象的模型：模型图如下：结果为：由此可知，比较①②③(由上到下)，随着阶次的增加，输出趋于稳定的时间逐渐延长，这就相当于多阶系统延长了Ｔ，引入纯滞后的作用与一阶二阶基本相同。任务四，五，六：对单回路控制系统的四个部分进行详细仿真；深入理解PID控制的原理；掌握PID三个参数对控制系统性能的影响；经典的单回路系统如下：（一）对被控对象在系统中特性进行仿真研究；一阶系统仿真模型（无滞后）：　　观察上图，首先对比直线和星形线，可以发现时间常数越大，被控量达到稳定的时间越长；然后再对比直线和‘＋’形线，可以发现K越大被控变量达到稳定状态所需时间越长，也可以说ts越大。一阶系统存在滞后时的仿真模型：结果图：　　我们可以得到结论：滞后的引入延长输出被控变量达到稳定的时间，在控制器存在微分作用的情况下甚至会引起震荡。如本图，当τ＝２时为等幅