本科生毕业论文（或设计）
（申请学士学位）
论文题目基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验
平台开发
作者姓名乔启胜
专业名称自动化
指导教师吴正怀
2015年5月
学生：（签字）学号：2011210841
答辩日期：2015 年6月8日
指导教师：（签字）
目录
摘要............................................................................................................................... 错误！未定义书签。Abstract .. (1)
1 绪论........................................................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1 本文研究背景................................................................................................ 错误！未定义书签。
1.2 本文的选题意义............................................................................................ 错误！未定义书签。
1.3 本文的任务和要求 (3)
1.3.1 本文任务 (3)
1.3.2 本文要求 (3)
2 自动控制原理虚拟实验平台总体概述及其实现工具介绍 (3)
2.1 MA TLAB工具介绍 (3)
2.2 Simulink工具简单介绍 (4)
2.3 GUI简单介绍与可视化接口环境 (4)
2.3.1 GUI概念介绍 (4)
2.3.2 GUI图形用户界面的打开 (5)
2.4 自动控制原理简单介绍 (7)
3 虚拟实验平台总体概述 (7)
3.1 虚拟实验平台设计原则 (7)
3.2 虚拟实验平台设计界面模块结构及功能 (7)
3.2.1 平台模块结构 (7)
3.2.2 平台功能 (8)
4 自动控制原理实验在虚拟实验平台的实现 (9)
4.1 平台界面的总体要求 (9)
4.2 主界面的设计 (9)
4.3 线型系统时域分析界面 (13)
4.3.1 时域分析法的介绍 (13)
4.3.2 时域分析界面的设计 (14)
4.4 线型系统根轨迹分析界面 (17)
4.4.1 根轨迹法的介绍 (18)
4.4.2 根轨迹界面的设计 (18)
4.5 线性系统频域分析界面 (19)
4.5.1 频域法的介绍 (19)
4.5.2 频域分析界面的设计 (20)
4.6 控制系统校正实验界面 (22)
4.6.1 控制系统校正介绍 (22)
4.6.2 控制系统校正实验界面的设计 (22)
5 结论 (25)
参考文献 (26)
附录1 (27)
致谢 (55)
基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台开发
摘要：自动控制原理是高等工科院校自动化专业非常重要的一门专业基础课。随着现代科学技术的飞速发展和人类社会工业化的推进，自动控制原理和技术已经在宇宙航空、机器人操作、环境治理、核能研究等高科技领域的应用越来越广泛，成为了人类社会和人们生活中不可或缺的一部分。在理论的学习中，由于理论概念太过抽象、计算量大等难题，给现代教学和学生学习带来了诸多的不便，而实验课对相关的实验课程和理论作出严谨的科学演示、分析以及论证，大大地提高了学生对自动控制理论的理解，但传统实验课由于受到实验资源不足、设施简单、仪器误差较大等原因，为教学实施带来了影响，因此，我们利用MATLAB中的图形用户界面设计功能（GUI）建立虚拟实验平台来研究自动控制原理，不仅提高了实验教学的效率，改善了实验精度，而且大大提高了学生的学习热情和增强了处理问题的能力。
关键词：自动控制原理，MATLAB，虚拟实验平台，GUI
Virtual Experiment Platform Development of Automatic Control
Principe Based on MATLAB
Abstract: Automatic control theory is a very important professional basic course of automation major in engineering colleges.With the rapid development of modern science and the industrialization of technology and human society , automatic control theory and technology has been applied in the field of high technology, robot, aerospace, nuclear energy and other environmental governance research more widely, which has become an integral part of human society and life.In the theoretical study, the theory is too abstract,which brings a lot of inconvenience to the modern teaching and learning. The the related experimental courses and theory take many analysis and demonstration, which greatly enhance the students' understanding of the theory of automatic control.Due to the experimental resources, simple facilities, instrument error and other reasons, the traditional experimental teaching impact the implementation of teaching.We study the principle of automatic control of the virtual experiment platform based on graphical user interface designed in MA TLAB, which not only improves the efficiency of experiment teaching and the accuracy of the experiment, but also greatly enhance the enthusiasm of students and the ability to deal with problems.
Keywords:Automatic Control Theory ,MATLAB ,Virtual Experimental Platform ,GUI
1 绪论
1.1 本文研究背景
对于大学生而言自动控制原理是大学阶段的自动控制工程、机器自动控制操作、物流设备工程等专业的重要的专业基础课程，涉及到自动控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的相关基本理论和相关技术设计。它的典型特点是概念比较抽象，数字含量巨大，计算相当复杂，从而导致学生比较难于理解和消化，实验是理解和消化相关课程内容的非常重要的途径。目前相当多的大学高校的实验教学仍处于传统模拟实验阶段，通过利用集成封闭的传统实验箱，将相应的有源网络模块整个连接成了典型环节和系统，然后施加典型信号，通过示波器仔细观察实验结果。然而对于这种实验方法仍存在明显不足，比如说（1）实验室的实验箱集成度很高，从而让学生对实验目的和实验计划出现盲目性，所以很容易导致损坏仪器设备。（2）学生的理论性知识和实验动手操作是互相分开的，导致了学生缺乏主动性学习和创造性性学习。（3）因为元件的非线性等一些元素，导致了实验结果与理论知识差异较大，相距甚远。
为了改变这种现象，我们通过利用MATLAB中的具有可视化编程能力的图形用户界面（简称GUI）和控制系统工具箱中的有关的丰富的库函数等，开发出了基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台。
1.2 本文的选题意义
自动控制原理虚拟实验平台就是把真实的相关的自动控制环节、系统和数学建模有机地结合的一个实验操作平台。学生不仅可以在平台上修改相关的实验参数、改变相关的输入信号、观察相应的响应情况，同时还可以观察数学模型的具体的变化情况。
MATLAB是面对科学计算的高性能可视化编程仿真软件，GUI是一种的图形用户界面。通过MATLAB/GUI设计和开发自动控制原理虚拟实验平台，不但能很好地解决传统实验存在的问题，加深对自动控制原理理论课程内容的理解，更能使学生摆脱复杂的数学公式，对新知识产生浓厚的探索兴趣。
在设计过程中，我通过查阅相关的资料，增强了自己的自我学习能力和思考能力，同时通过向
老师和同学的虚心求教，增强了自己的沟通能力。
1.3 本文的任务和要求
1.3.1 本文任务
本次毕业设计研究的任务是基于MA TLAB的自动控制原理虚拟实验平台的实现，简单的要求是用MA TLAB中的GUI建成一个可视化的图形开发平台，在这个平台上去实现自动控制原理各个实验要求和实验功能，验证实验原理。
1.3.2 本文要求
通过自动控制原理虚拟实验平台实现线型系统的时域分析、线性系统的根轨迹分析、线型系统的频域分析、控制系统的串联校正实验，然后重点介绍线性系统的时域分析的具体的原理、方法、实现的功能、实验操作过程以及仿真图形。
2 自动控制原理虚拟实验平台总体概述及其实现工具介绍
2.1 MATLAB工具介绍
我们在设计自动控制原理虚拟实验平台的时候需要用到MATLAB设计工具，以此搭建我们所想要的虚拟实验平台，为了对后面更好地的设计与实验，我们需要了解MATLAB的发展历史以及它的功能，掌握软件的实际操作原理。
在20世纪80年代以来，为了研究某种问题，各种计算机语言接连出现，当然，在数学研究当中，为了更好地更方便地数值计算、科学研究、工程计算等其他方面，MATLAB软件应运而生。MATLAB 是由美国人MathWorks公司推出，是MATrix LABoratory的缩写，中文名称是矩阵实验室。自推广以来，得到了社会上的普遍认同以及广泛的应用，发展至今推出了各种版本，里面的功能越来越丰富和强大，同时它的语言易于掌握，所以深受各大高等学校的喜爱以及科学研究人员的使用，尤其在欧美高校，MATLAB软件的使用成为了学生的必备的学习技能。
毋庸置疑，MATLAB的功能相当强大，可以用于数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真以及图形处理，同时具有内容强大的工具箱进行设计开发。MATLAB是一个具有很强的开放性软件，除了可以利用的内部函数外，我们可以自己对里面的源文件进行修改或者可
以加入自己编写好的文件进行设计使用。
2.2 Simulink工具简单介绍
Simulink是Math Works软件公司在1990年推出来的，它是实现控制系统进行构造模型、仿真设计和分析的软件包，简单来说就是MATLAB软件功能的一种拓展，它提供了不同功能的基本系统模块，我们只要知道这些模块的输入、输出以及它的功能，而不必知道各种模块的里面具体的功能与实现，只要通过各种模块的调用与连接就能构造出我们所需要的系统模型，文件存储形式以.mdl形式存取，最后我们可以基于此进行方针与分析。对于简单的控制系统来说，我们可以利用相关的函数和相关的线性方程进行求解，但对更为复杂的系统来说，我们之前的方法就不可以实现了，所以则必须使用Simulink进行仿真与分析。
2.3 GUI简单介绍与可视化接口环境
2.3.1 GUI概念介绍
由菜单、窗口、对话框等各种图形元素构成的用户界面被叫做图形用户界面，英文名称是Graphical User Interface，简称GUI。它是计算机与用户进行信息交流的窗口和平台，在自动控制原理虚拟实验平台设计当中它赋予着主要设计工作。对于GUI操作应该是易于理解的便于操作的，当我们点击某项操作的时候，用户图形界面就已经开始了它的功能操作。MATLAB作为一款强大的科学计算软件，同时也提供了图形用户界面设计的功能，它包括了三类图形用户界面对象，包括用户界面控件对象、下拉式菜单对象和快捷菜单对象。根据我们所想要的图形用户界面对象，我们可以设计出界面非常友好、操作相当方便的图形用户界面。
在MA TLAB软件中，为GUI开发提供了一个非常方便且高效的集成开发环境GUIDE。GUIDE 主要是一个界面设计工具集，所有GUI设计都被MATLAB支持在这个集成的环境中。GUIDE将所有设计好的GUI设计模型保存在一个.fig文件当中，并且同时生成了.m文件，对于.fig文件设计，它包括了GUI图形窗口以及图形窗口对象，对于.m文件而言，它包括了GUI设计、控制函数及其定义为子函数的用户控件回调函数。GUIDE在GUI设计过程中直接自动生成了.m文件框架，它所具有的优点如下：
（a）.m文件在.fig文件生成的同时就已经生成了一些必要的代码。
（b）管理图形对象句柄并执行回调函数的子程序。
（c）支持自动插入回调函数原型。
（d）提供了管理全局变量的便利途径。
2.3.2 GUI图形用户界面的打开
在MA TLAB中打开GUI可以以下的操作方法
（1）选择菜单栏上的“File”选项，再选择“New”选项，最后得到“GUI”命令。
（2）在命令窗口（commend Windows）当中输入“Guide”命令或者输入“Guide Filename”，同样可以打开可视化接口。
（3）选择菜单栏上的“GUIDE”快速启动按钮，可以直接打开界面。
MATLAB软件为GUI图形用户界面设计总共准备了4种模板，包括Blank GUI（默认）、GUI with Uicontrols（带控件对象的GUI模板）、GUI with Axes and Menu（带坐标轴与菜单的GUI模板）与Modal Question Dialog（带模式问话对话框的GUI模板）。如下图
图2-1GUI的初始化界面
如果没有设计好的可视化图形文件，我们要选择空白的可视化文件，即Blank GUI（空白），然后点击OK按钮，就会显示出GUI设计窗口，如下图2-2。
图2-2GUI设计窗口
从GUI设计窗口可以看出，共有五个设计工具，它们分别是：
（a）对象属性查看器（Property）：可以查看每个对象的属性值，同时可以修改设置对象的属性值。
（b）菜单编辑器（Menu Editor）：对下拉式菜单进行创建、设计和修改。
（c）位置调整工具（Alignment Tool）：多个对象通过该工具左右、上下进行位置进行调整。
（d）对象浏览器（Object Browser）：可以观察当前设计阶段的各个句柄图形对象。
（e）Tab顺序编辑器（Tab Order Editor）:通过该工具，设置当按下键盘上的Tab键时，对象被选中的先后顺序。
通过控件的布局，相应的生成了m函数文件，对于空间的性能，我们可以通过在回调函数里面
进行相应的修改，以达到自己的要求，通过这样的方法可以很方便的设计出友好的，简洁的，功能强大的图形界面。
2.4 自动控制原理简单介绍
随着计算机技术的飞快的发展和广泛的应用，自动控制原理理论和技术在宇宙航空、机器人控制、导弹制导卫星发射和核能等高科技领域方面的应用越来越广泛。同时自动控制原理技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境等生活中的其他领域，成为人们生活当中不可或缺的一部分。随着人类社会的进步和人们生活水平的提高，自动控制原理技术必将在人类的未来当中对于人类去认识自然改造自然发挥着难以想象的作用。所以对于一个工程技术人员，学习自动控制原理有关的知识有必要的。同时大学阶段的学习已经把自动控制原理当作一门专业基础课程，尤其是电气自动化、电力系统、船舶与海洋工程等相关的专业都已经开设了这门课程。
自动控制原理的主要内容包括控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析发以及控制系统校正与综合等方面知识。它们大都将在这个虚拟实验平台得以实现与研究分析。
3虚拟实验平台总体概述
3.1 虚拟实验平台设计原则
本次所设计的虚拟实验平台是基于MATLAB7.0以上的版本所开发出来的，在整个设计当中，为了更好地让大家看清整个的设计流程，我们是采用的自上而下、由上一级转到下一级而设计。在设计过程中，我们首先要确定一个总体框架，然后我们再确定好我们要研究的几个实验原理项目作为这个框架的子系统，之后在各个实验原理上设计两三个对应这个实验原理的功能实现、认证以及分析，在编程设计方面，我们要由下而上去设计，设计好每个部分的编程代码，最后实现一个整体虚拟实验平台的开发
3.2 虚拟实验平台设计界面模块结构及功能
3.2.1 平台模块结构
该虚拟实验平台设虚拟实验平台有四大部分构成，包括线型系统时域分析、线性系统频域分析、线型系统根轨迹分析以及控制系统串联校正，如下结构图：
图3-1虚拟实验平台结构图
3.2.2平台功能
该虚拟实验平台的功能是以根据生活中关于科学研究、教学活动、学生实验探究为目的所完成的，所以该平台的功能要设计成集成的、多样化的一个实验平台，具体的功能如下：（a）虚拟实验平台输入参数形式多样化：如传递函数输入的形式，可以任意改变分子分母的参数。
（b）虚拟实验平台绘图功能：通过参数的设定，我们可以得到我们所想要的响应曲线或是波形图等其他仿真图形。
（c）虚拟实验平台分析功能：比如在时域分析中我们可以得到阶跃响应性能指标（峰值时间、超调量、调节时间），在频域分析中我们可以得到谐振频率、谐振峰值、频带、零频。
（d）控制系统校正功能：对所需要的校正的控制系统进行超前校正和滞后校正，可以得到校正
前后的bode图和阶跃响应曲线以及各种性能指标。
4 自动控制原理实验在虚拟实验平台的实现
4.1 平台界面的总体要求
我们在设计我们所需要的界面基本上都会选择GUI作为优选工具，以达到事半功倍的效果。该设计的虚拟实验平台包括三级界面，第一级界面就是我们的主界面，由主界面可以进入到第二级界面，包括线性系统时域分析界面、线性系统频域分析界面、线性系统根轨迹分析界面控制系统校正实验界面。每个第二级界面都可以进入到实现它的某种功能的第三级界面，对于线型系统时域分析界面来说，它的所实现的波形图就在该界面，所以不需要再进入下一级界面面，对于线性系统频域界面来说，下一级界面包括了奈奎斯特曲线以及伯德图，对于线性系统根轨迹分析界面来说，下一级界面有开环零极点对根轨迹的影响等，对于控制系统的串联校正实验界面来说，包括了基于频域法的超前校正及基于频域法的滞后校正界面。所以对于界面设计来说，我们是由上而下来设计的。
4.2 主界面的设计
我们设计的主界面能够让用户很快地了解该虚拟实验平台的大概的功能，并且可以通过简单的操作在图形用户界面上进行程序的编写。该界面有四个窗口空间组成组成，在各自的窗口中我们可以通过图形用户界面可以很方便的了解自动控制原理的几个典型的实验模型，下面我们来介绍主界面的设计，具体步骤如下：
首先我们点击MATLAB界面工具栏上的快速启动图标，可以直接启动一个GUIDE的集成开发环境的对话框，或者在file菜单中点击new，在点击GUI也是可以，当然了直接在命令窗口（Command Window）上输入GUIDE命令也是可以的，最好的启动方式还是第一种方法。选择空白操作界面，保存文件名dianxinghuanjie.fig，则打开了一个设计界面，同时也自动生成了dianxinghuanjie.m文件。我们在GUIDE的设计编辑区内（Layout Area）内从工具栏上拖入一个静态文本框（Static Text），静态文本是在对话框中显示我们所需要的说明性文字，双击该控件，我们可以打开一个对象属性框，或者可以通过单击该控件点击对象属性查看器（Property Inspector）也可以打开，选择String属性，该属性的取值是字符串，它定义了控件对象的说明性文字，写入“自动控制原理虚拟实验平台”用
来给用户提供必要的提示，但用户不能在程序的执行过程种中来修改文字说明, 如果要改变字体的大小粗细，可以点击FontWeight属性，它定义了字体的粗细，点击FontSize属性，它定义了字体的大小，属性的取值是数值，点击ForegroundColor属性，定了控件对象的说明性文字的颜色，其默认颜色是黑色，利用上述的方法，再点击一个静态文本框，写入“欢迎使用”。
然后选择坐标轴（Axes）控件，它是用来显示图形和图像，在这里我们要添加一张图片，我们用imshow函数来实现，在之后生成的M文件里添加imshow（’Inco\Incol.png’）这个语句，选择面板控件（Panel），再双击属性查看器，修改属性Title为“实验选择”，再调整标题文字方向位于正上中央，在拖入四个按钮控件（Push Button），按钮控件是最常用的控件对象，它的主要特征是在矩形框上加上文字说明，一个按钮只代表一种操作。之后在String的属性下分别改成线型系统时域分析、线型系统频域分析、线性系统根轨迹分析、控制系统校正实验。
对于上面四个控件按钮我们也可以再进行菜单的建立，我们可以通过GUI设计窗口的工具栏上的Menu Editor 命令按钮打开，还可以在菜单栏中点击“Tool”，再点击“Menu Edior”（菜单编辑器）。如下图4-1，该图是已经编辑好的菜单编辑器。
图4-1设置菜单后的菜单编辑器
通过该图形我们可以看到，菜单编辑器的左上角的第一个按钮的作用是用来创建一级菜单项，第二个按钮是用来使用来创建一级菜单的子菜单，要想创建这个子菜单，我们必须要先点击一级菜单项后，选中左上角的第二个按钮来创建。我们可以发现，创建某个菜单项后，图框的右边就会显示该菜单的相关的属性，我们可以在这里设置好我们的属性，我们先创建四个一级菜单，分别在右边Label属性中修改为实验一、实验二、实验三和实验四，再在各自的子菜单中的属性项里修改为线性系统时域分析、线型系统根轨迹分析、线性系统频域分析和控制系统的串联校正实验。同时也分别在各自的Tag属性中修改，分别为One、Time、Two、Rlocus、Three、Frequency、Four、Modify。Tag属性是用来定义控件的标识值，取值为字符串，在任何程序中都可以通过该标识值来控制该控件。同时我们必须在各自对应的Callback属性中进行修改。
（1）菜单实验一的Callback属性：
dianxinghuanjie('One_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
子菜单线性系统时域分析的Callback属性：
dianxinghuanjie('Time_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
（2）菜单实验二的Callback属性：
dianxinghuanjie('Two_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
子菜单线性系统根轨迹分析属性：
dianxinghuanjie('Rlocus_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
（3）菜单实验三的Callback属性：
dianxinghuanjie('Three_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
子菜单线性系统频域分析属性：
dianxinghuanjie('Frequency_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject)) （4）菜单实验四的Callback属性：
dianxinghuanjie('Four_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
子菜单控制系统校正实验的Callback属性：
dianxinghuanjie('Modify_Callback',hObject,eventdata,guidata(hObject))
最后我们再一次保存设计好的dianxinghuanjie.fig文件，选择工具栏上的运行按钮，同时也自动生成了dianxinghuanjie.m文件。得到主界面图形，如图4-2：
图4-2 主界面图
4.3 线性系统时域分析界面
4.3.1 时域分析法的介绍
时域分析法是以拉普拉斯变换为工具，利用传递函数直接在时间域上研究自动控制系统的一种方法。它通过响应曲线来分析控制系统的一些性能，具有直接而全面的优点，但仍有一些不足，比如在分析的过程当中计算量较大，尤其是对于高阶系统。时域响应指的是系统在外部的输入（设定值输入或是扰动输入）作用下的输出过程，典型的时域响应有单位阶跃响应、单位脉冲响应、单位斜坡响应、单位加速度响应、单位正弦响应。
本时域分析法的设计以典型输入的单位脉冲输入、单位阶跃输入以及单位斜坡输入为主的输入，来观察各个的响应曲线进行分析，通过阶跃响应性能指标（包括峰值时间、调节时间、上升时间、
超调量）来研究问题和分析问题，主要针对一阶或二阶系统。对于分子与分母参数的设定是任意的随机的，这更加使问题研究的深入与透彻。
4.3.2 时域分析界面的设计
根据设计需要，我们需要在布局编辑区里添加八个静态文本框（Static Text），两个按钮（Push Button），也要修改自己String属性，同时还要添加两个文本编辑框（Edit Text）、五个单选按钮（Radio Button）、六个面板控件（Panel）和一个坐标轴（Axes），整体的模块布局就可以了，完成各部件的属性的设置，保存为Time_reponse.fig文件中。为了实现控件的功能，我们需要编写相应的程序代码。右键单击任一图形对象，在弹出的快捷菜单中点击View Callbacks，在点击Callback命令，这时将自动打开一个M文件，这个时候就可以在各控件相应的回调函数区内修改对应的程序代码。下面是部分程序代码：
function radiobutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)
set(hObject,'Value',1);
set(handles.radiobutton5,'Value',0);
set(handles.radiobutton3,'Value',0);
num=str2num(get(handles.edit1,'String')); %获取控件Tag属性为edit1的控件里面的数值作为分子den=str2num(get(handles.edit2,'String')); %获取控件Tag属性为edit2的控件里面的数值作为分母load('data\Ddata.mat');
if (fla==0)
G=tf(num,den);
[y,t]=step(G); %开环阶段响应
axes(handles.axes2)
plot(t,y,'Linewidth',2)
elseif(fla==1)
G=tf(num,den);
[y,t]=step(feedback(G,1)); %闭环阶段响应
axes(handles.axes2)
plot(t,y,'Linewidth',2)
hold on
[Y,k]=max(y);
tp=fix(t(k)*100)/100; %求峰值时间
plot([tp tp],[0 Y],'--r','Linewidth',1.5);
plot([0 tp],[Y Y],'--r','Linewidth',1.5);
plot(tp,0,'o', 'MarkerEdgeColor','k', 'MarkerFaceColor','k','MarkerSize',6); %画出峰值时间点
str0=num2str(tp);
str=[str0,'s'];
set(handles.text7,'String',str)
C=dcgain(feedback(G,1)); %求系统稳态值
M=fix(1000*(Y-C)/C)/10;
str0=num2str(M);
str=[str0,'%'];
set(handles.text8,'String',str) %求超调量
n=1;
while y(n)<0.1*C %通过循环，求取输出第一次到达终值的10%的时间n=n+1;
end
m=k;
while y(n)>0.9*C %通过循环，求取输出第一次到达终值的90%的时间m=m-1;
end
risetime=fix(100*(t(m)-t(n)))/100; %求上升时间
str0=num2str(risetime);
str=[str0,'s'];
set(handles.text6,'String',str) %显示上升时间
i=length(t);
while (y(i)>0.98*C)&(y(i)<1.02*C)
i=i-1;
end
Settingtime=fix(100*t(i))/100; %求调节时间
str0=num2str(Settingtime);
str=[str0,'s'];
set(handles.text12,'String',str) %显示调节时间
plot(Settingtime,0,'o', 'MarkerEdgeColor','k', 'MarkerFaceColor','m','MarkerSize',6); %显示调节时间
%的时间点hold off
[F,h]=findpeaks(y);
che=length(F);
if(che>=2)
rate=fix(100*(F(1)-C)/(F(2)-C))/100;%求衰减比
str0=num2str(rate);
str=[str0,'%'];
set(handles.text14,'String',str) %显示衰减比
else
set(handles.text14,'String','?T?￥??±è') %求衰减比
end
end
grid on
xlabel('Time(s)')
ylabel('Y(t)')
完成回调函数后，我们点击运行一下，得到线性系统时域分析图，从图中我们可以看到阶跃响应曲线，以及系统的性能指标，如图4-3：
图4-3线型系统时域分析图
4.4 线型系统根轨迹分析界面
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.
《自动控制原理》 实验报告 姓名： 学号： 专业： 班级： 时段： 成绩： 工学院自动化系
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、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G200 , 100 2 ) ( 2 1 1 2 1 2= = - = - = - = 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。 三、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 ①比例环节1 ) ( 1 = s G和2 ) ( 1 = s G； ②惯性环节 1 1 ) ( 1+ = s s G和 1 5.0 1 ) ( 2+ = s s G ③积分环节 s s G1 ) ( 1 = ④微分环节s s G= ) ( 1 ⑤比例+微分环节（PD）2 ) ( 1 + =s s G和1 ) ( 2 + =s s G ⑥比例+积分环节（PI） s s G1 1 ) ( 1 + =和s s G21 1 ) ( 2 + = 四、实验结果及分析 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形
① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节
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
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
自控课程设计课程设计(论文) 设计（论文）题目单位反馈系统中传递函数的研究 学院名称Z Z Z Z学院 专业名称Z Z Z Z Z 学生姓名Z Z Z 学生学号Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 任课教师Z Z Z Z Z 设计（论文）成绩
单位反馈系统中传递函数的研究 一、设计题目 设单位反馈系统被控对象的传递函数为 ) 2)(1()(0 0++= s s s K s G （ksm7） 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标： （1）在单位斜坡信号输入下，系统的速度误差系数=10。 （2）相角稳定裕度γ>45o , 幅值稳定裕度H>12。 （3）系统对阶跃响应的超调量Mp <25%,系统的调节时间Ts<15s 3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。 4、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的截止频率Wc 和穿频率Wx 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设计方法 1、未校正系统的根轨迹图分析 根轨迹简称根迹，它是开环系统某一参数从0变为无穷时，闭环系统特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。 1）、确定根轨迹起点和终点。 根轨迹起于开环极点，终于开环零点；本题中无零点，极点为：0、-1、-2 。故起于0、-1、-2，终于无穷处。 2）、确定分支数。 根轨迹分支数与开环有限零点数m 和有限极点数n 中大者相等，连续并且对称于实轴；本题中分支数为3条。
传递函数及方框图的建立（典型环节） 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。 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1-1 SIMULINK 仿真界面 图1-2 系统方框图
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。
目录 1 实验背景 (2) 2 实验介绍 (3) 3 微分方程和传递函数 (6)
1 实验背景 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制原理是相对于人工控制概念而言的，自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。 在自动控制原理【1】中提出，20世纪50年代末60年代初，由于空间技术发展的需要，对自动控制的精密性和经济指标，提出了极其严格的要求；同时，由于数字计算机，特别是微型机的迅速发展，为控制理论的发展提供了有力的工具。在他们的推动下，控制理论有了重大发展，如庞特里亚金的极大值原理，贝尔曼的动态规划理论。卡尔曼的能控性能观测性和最优滤波理论等，这些都标志着控制理论已从经典控制理论发展到现代控制理论的阶段。现代控制理论的特点。是采用状态空间法（时域方法），研究“多输入-多输出”控制系统、时变和非线性控制系统的分析和设计。现在，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已促使控制理论开始向第三个发展阶段即第三代控制理论——大系统理论和智能控制理论发展。 在其他文献中也有所述及（如下）： 至今自动控制已经经历了五代的发展： 第一代过程控制体系是150年前基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。 第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它标志了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。 第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。 第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制
目录 概述 (1) 一、实验目的 (1) 二、简述MATLAB语言的特点及其主要功能 (1) 三、控制系统仿真时常用的方法和指令 (2) 1、控制系统仿真时常用的方法 (2) a、数学仿真 (2) b、半物理仿真 (2) c、全物理仿真 (2) 2、控制系统仿真时常用的指令 (2) 1)、Bode图 (2) ①、绘制Bode图 (2) ②、系统的增益裕度和相角裕度 (2) 2）、Nichols图 (3) 3）、Nyquist图 (3) 4）、一般频率响应图 (3) 5）、频率响应的奇异值图 (3) 6）、绘制根轨迹 (4) 四、实验内容 (4) 五、心得体会 (22) 六、参考文献 (22)
概述 MATLAB 是一种直观、高效的计算机语言，同时也是一个科学计算平台。 它的伴随工具Simulink 是用来对真实世界的动力学系统建模、模拟仿真和分析的软件。我们可将综合性和设计性实验项目通过MATLAB 在计算机上仿真，使系统的观察实验的动态过程。目前，MATLAB 已经成为我们当代大学生必须掌握的基本技能，在设计研究单位和工业部门，MATLAB 已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。在完成了验证性、综合性和设计性实验后，课程设计必不可少。课程设计是工科实践教学的一个重要的环节，目的是培养我们综合运用理论知识分析和解决实际问题的方法和能力,实现由知识向技能的初步化。所以课程设计是培养我们思维创造能力最有效的途径。 一、实验目的 1、培养理论联系实际的科学态度，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识 的能力。 2、掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种（矫正） 装置的作用及用法，能够利用不同的分析方法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。 3、学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统的仿真与调试。 4、锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力。 二、简述MATLAB语言的特点及其主要功能 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。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
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*. %
扬州大学水利与能源动力工程学院 课程实习报告 课程名称：自动控制原理及专业软件课程实习 题目名称：三阶系统分析与校正 年级专业及班级：建电1402 姓名：王杰 学号： 141504230 指导教师：许慧 评定成绩： 教师评语： 指导老师签名： 2016 年 12月 27日
一、课程实习的目的 （1）培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力； （2）掌握自动控制原理的时域分析法、根轨迹法、频域分析法，以及各种校正装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标； （3）学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试； （4）学会使用硬件搭建控制系统； （5）锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力，为今后从事控制相关工作打下较好的基础。 二、课程实习任务 某系统开环传递函数 G(s)=K/s(0.1s+1）（0.2s+1） 分析系统是否满足性能指标： （1)系统响应斜坡信号r(t)=t,稳态误差小于等于0.01； （2）相角裕度y>=40度； 如不满足，试为其设计一个pid校正装置。 三、课程实习内容 （1）未校正系统的分析： 1）利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图 2）绘画根轨迹，分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能（稳定性、快速性）。 3）作出单位阶跃输入下的系统响应，分析系统单位阶跃响应的性能指标。 4）绘出系统开环传函的bode图，利用频域分析方法分析系统的频域性能指标（相角裕度和幅值裕度，开环振幅）。 （2）利用频域分析方法，根据题目要求选择校正方案，要求有理论分析和计算。并与Matlab计算值比较。 （3）选定合适的校正方案（串联滞后/串联超前/串联滞后-超前），理论分析并计算校正环节的参数，并确定何种装置实现。
绪论 (1) 一课程设计的目的及题目 (2) 1.1课程设计的目的 (2) 1.2课程设计的题目 (2) 二课程设计的任务及要求 (3) 2.1课程设计的任务 (3) 2.2课程设计的要求 (3) 三校正函数的设计 (4) 3.1理论知识 (4) 3.2设计部分 (5) 四传递函数特征根的计算 (8) 4.1校正前系统的传递函数的特征根 (8) 4.2校正后系统的传递函数的特征根 (10) 五系统动态性能的分析 (11) 5.1校正前系统的动态性能分析 (11) 5.2校正后系统的动态性能分析 (15) 六系统的根轨迹分析 (19) 6.1校正前系统的根轨迹分析 (19) 6.2校正后系统的根轨迹分析 (21) 七系统的奈奎斯特曲线图 (23) 7.1校正前系统的奈奎斯特曲线图 (23) 7.2校正后系统的奈奎斯特曲线图......... 错误!未定义书签。4 八系统的对数幅频特性及对数相频特性...... 错误!未定义书签。 8.1校正前系统的对数幅频特性及对数相频特性 (25) 8.2校正后系统的对数幅频特性及对数相频特性 (27) 总结................................... 错误!未定义书签。8 参考文献................................ 错误!未定义书签。
在控制工程中用得最广的是电气校正装置，它不但可应用于电的控制系统，而且通过将非电量信号转换成电量信号，还可应用于非电的控制系统。控制系统的设计问题常常可以归结为设计适当类型和适当参数值的校正装置。校正装置可以补偿系统不可变动部分（由控制对象、执行机构和量测部件组成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系统能满足事先要求的性能指标。常用的性能指标形式可以是时间域的指标，如上升时间、超调量、过渡过程时间等（见过渡过程），也可以是频率域的指标，如相角裕量、增益裕量（见相对稳定性）、谐振峰值、带宽（见频率响应）等。 常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种类型。在许多情况下,它们都是由电阻、电容按不同方式连接成的一些四端网络。各类校正装置的特性可用它们的传递函数来表示，此外也常采用频率响应的波德图来表示。不同类型的校正装置对信号产生不同的校正作用，以满足不同要求的控制系统在改善特性上的需要。在工业控制系统如温度控制系统、流量控制系统中，串联校正装置采用有源网络的形式，并且制成通用性的调节器，称为PID（比例-积分-微分）调节器,它的校正作用与滞后-超前校正装置类同。
《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％）。
实验一一阶惯性系统特性仿真分析 1 实验目的：熟悉仿真模块及参数设定方法，研究一阶惯性环节闭环传递函数参数T和K对系统单位阶跃响应性能的影响。 2 实验方法：利用SIMULINK建立系统结构图。见图1。 3 实验内容：按照仿真图要求，从SIMULINK库中取出相应的模块，并连接闭合的系统结构图。闭环传函G(s)=K/(Ts+1),K=1,T=0.2秒，观察阶跃相应曲线。重复改变T 分别为0.5秒、0.8秒观察阶跃相应曲线的变化。计算一阶系统的动态响应指标tr和ts。 4 实验步骤：启动计算机，运行Matlab软件，启动Simulink程序，按照内容要求组装控制系统，做好实验准备。 5 实验结果分析及结论： ①求出一界系统单位阶跃响应函数表达式，计算T=0.2,0.5,0.8时的响应指标tr和ts。 ② T逐渐增大时，上升时间tr和调节时间ts怎样变化？ ③ T逐渐减小时，系统的闭环极点怎样变化？ ④ T一定K增大时，系统的tr和ts怎样变化？闭环极点怎样变化？ ⑤一界系统一定稳定吗？为什么？ ⑥结论。 图1 一阶系统仿真
实验二二阶系统单位阶跃响应仿真分析 1 实验目的：学习利用SIMULINK库中的模块构成二阶系统的方法。分析二界系统的阻尼系数zhita对系统稳定性的影响。 2 实验方法：利用SIMULINK建立系统结构图。见图2。 3 实验内容：选择适当的仿真模块构成上述系统。令Wn=1。别选取zhita=1.5>1(过阻尼)、zhita=1(临界阻尼)、0 物理科学与工程技术学院 课程设计说明书 课题名称：自动控制原理 设计题目：自动控制与检测原理 专业班级：11级自动化 学生姓名：袁 学号：1134307138 自动控制系统 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。 自动检测 检测是指为确定产品、零件、组件、部件或原材料是否满足设计规定的 质量标准和技术要求目标值而进行的测试、测量等质量检测活动。检测有3个目标：①实际测定产品（含零、部件）的规定质量特性及其指标的量值。② 根据测得值的偏离状况，判定产品的质量水平（等级）,确定废次品。③认定测量方法的正确性和对测量活动简化是否会影响对规定特征的控制 自动检测是指在计算机控制的基础上，对系统、设备进行性能检测和故障诊断。他是性能检测、连续监测、故障检测和故障定位的总称。现代自动检测技术是计算机技术、微电子技术、测量技术、传感技术等学科共同发展的产物。凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备，均可以采用自动检测技术 课程内容——设计一个雷达天线伺服控制系统 1 雷达天线伺服控制系统简介 1.1 概述 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图1-1 所示。 自动控制原理实验（二） 一、实验名称： 基于MATLAB的控制系统频域及根轨迹分析 二、实验目的： （1）、了解频率特性的测试原理及方法； （2）、理解如何用MATLAB对根轨迹和频率特性进行仿真和分析； （3）、掌握控制系统的根轨迹和频率特性两大分析和设计方法。 三、实验要求： （1）、观察给定传递函数的根轨迹图和频率特性曲线； （2）、分析同一传递函数形式，当K值不同时，系统闭环极点和单位阶跃响应的变化情况；（3）、K值的大小对系统的稳定性和稳态误差的影响； （4）、分析增加系统开环零点或极点对系统的根轨迹和性能的影响。 四、实验内容及步骤 （1）、实验指导书：实验四 （1）、“rlocus”命令来计算及绘制根轨迹。会出根轨迹后，可以交互地使用“rlocfind”命令来确定点击鼠标所选择的根轨迹上任意点所对应的K值，K值所对应的所有闭环极点值也可以使用形如“[K, PCL] = rlocfind(G1)”命令来显示。 （2）、波特图：bode(G1, omga) 另外，bode图还可以通过下列指令得出相位和裕角： [mag,phase,w] = bode(sys) （3）、奈奎斯特图：nuquist(G, omega) （2）课本：例4-1、4-2、4-7 五实验报告要求 （1）、实验指导书：实验四 思考题 请绘制下述传递函数的bode图和nyquist图。 1. 根据实验所测数据分别作出相应的幅频和相频特性曲线； 2. 将思考题的解题过程(含源程序)写在实验报告中。 幅频特性曲线相频特性曲线 Gs = zpk([10], [-5; -16; 9], 200) subplot(1, 2, 1) bode(Gs) grid subplot(1, 2, 2) nyquist(Gs) grid （2）课本：例4-1、4-2、4-7 目录 设计任务 (3) 设计要求 (3) 设计步骤 (3) 未校正前系统的性能分析 (3) 1.1开环增益 K (3) 1.2校正前系统的各种波形图 (4) 1.3由图可知校正前系统的频域性能指标 (7) 1.4特征根 (7) 1.5判断系统稳定性 (7) 1.6分析三种曲线的关系 (7) 1.7求出系统校正前动态性能指标及稳态误差 (7) 1.8绘制系统校正前的根轨迹图 (7) 1.9绘制系统校正前的Nyquist图 (9) 校正后的系统的性能分析 (10) 2.1滞后超前校正 (10) 2.2校正前系统的各种波形图 (11) 2.3由图可知校正前系统的频域性能指标 (15) 2.4特征根 (15) 2.5判断系统稳定性 (15) 2.6分析三种曲线的关系 (15) 2.7求出系统校正前动态性能指标及稳态误差 (15) 2.8绘制系统校正前的根轨迹图和Nyquist图 (16) 心得体会 (18) 主要参考文献 (18) 一、设计任务 已知单位负反馈系统的开环传递函数0 ()(0.11)(0.011) K G S S S S =++，试用频率 法设计串联滞后——超前校正装置。 （1）使系统的相位裕度045γ> （2）静态速度误差系数250/v K rad s ≥ （3）幅值穿越频率30/C rad s ω≥ 二、设计要求 （1）首先，根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T ，α等的值。 （2）利用MATLAB 函数求出校正前与校正后系统的特征根，并判断其系统是否稳定，为什么? （3）利用MATLAB 作出系统校正前与校正后的单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，分析这三种曲线的关系？求出系统校正前与校正后的 动态性能指标σ%、tr 、tp 、ts 以及稳态误差的值，并分析其有何变化？ （4）绘制系统校正前与校正后的根轨迹图，并求其分离点、汇合点及与虚轴交 点的坐标和相应点的增益K *值，得出系统稳定时增益K * 的变化范围。绘制系统校正前与校正后的Nyquist 图，判断系统的稳定性，并说明理由？ （5）绘制系统校正前与校正后的Bode 图，计算系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率。判断系统的稳定性，并说明理由？ 三、设计步骤 开环传递函数0 ()(0.11)(0.011) K G S S S S = ++ 1、未校正前系统的性能分析 1.1开环增益0K 已知系统中只有一个积分环节，所以属于I 型系统 由静态速度误差系数 250/v K rad s ≥ 可选取 v K =600rad/s s rad K S S S K S S H S SG K s s V /600) 101.0)(11.0(lim )()(lim 00 ==++==→→ -150-100 -50 50 实验一 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 1、比例环节 可知比例环节的传递函数为一个常数： 当Kp 分别为0.5，1，2时，输入幅值为1.84的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为0.92，1.84，3.68的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为0.94，1.88，3.70的反向阶跃信号， 相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%. 在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。 2、 积分环节 积分环节传递函数为： （1）T=0.1(0.033)时，C=1μf (0.33μf )，利用MATLAB ，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图： T=0.1 T=0.033 与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上T=0.033时的波形斜率近似为T=0.1时的三倍，实际上为8/2.6=3.08，在误差允许范围内可认为满足理论条件。 3、 惯性环节 i f i o R R U U -=TS 1 CS R 1Z Z U U i i f i 0-=-=-=15 20 惯性环节传递函数为： K = R f /R 1,T = R f C, （1） 保持K = R f /R 1 = 1不变，观测T = 0.1秒，0.01秒（既R 1 = 100K,C = 1μf ， 0.1μf ）时的输出波形。利用matlab 仿真得到理论波形如下： T=0.1时 t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3%,读数误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值 较为接近。 T=0.01时 t s （5%）理论值为30ms,实际测得t s =40ms 相对误差为：（40-30）/30=33.3% 由于ts 较小，所以读数时误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值较为接近 （2） 保持T = R f C = 0.1s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。 K=1时波形即为（1）中T0.1时波形 K=2时，利用matlab 仿真得到如下结果： t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3% 读数误差较大 K 理论值为2，实验值4.30/2.28， 1 TS K )s (R )s (C +-= 摘要 电厂锅炉主汽温具有大延迟、大惯性、非线性等特点，传统的PID控制很难取得满意的控制品质，本文在线性PID的基础上，引入跟踪微分器及非线性模块，构造出一种新型的非线性PID控制器，进而提出了汽温非线性PID控制方案，对其进行仿真，并进行了抗干扰能力和鲁棒性测试。结果表明相比于线性PID，非线性PID具有更好地控制品质，并且具有较强的抗干扰能力和鲁棒性。 尽管线性理论不仅在理论上完善，在各种国防和工业控制中也已成功地应用，但是随着现代科学技术的发展和现代工业对控制系统性能要求的不断提高，线性反馈控制已经很难满足各种实际需要。大多数控制系统往往是非线性的，采用近似的线性模型虽然可以更全面、更容易地分析系统的各种性能，却很难刻画出系统的非线性本质，所设计的控制器也很难达到系统的性能要求。线性系统的动态特性已不足以解释许多常见的实际非线性现象。早期的非线性系统分析与设计没有自身的理论体系，对非线性系统的处理主要是采用将非线性特性分段线性化，然后使用线性控制理论分析与设计。 关键词：非线性PID控制器；电厂锅炉主汽温；使用Matlab仿真 Power plant boiler main steam temperature with large delay, large inertia and nonlinear characteristics of the traditional PID control is difficult to obtain satisfactory control quality, this article on the basis of the linear PID, the introduction of tracking differentiator and nonlinear module, a new kind of nonlinear PID controller is constructed, and steam temperature of nonlinear PID control scheme is presented, simulation, and the anti-jamming ability and robustness test. The results show that compared with the linear PID, nonlinear PID has better control quality, and has strong anti-jamming ability and robustness. Although linear theory not only perfect in theory, in a variety of national defense and also has been successfully used in industrial control, but with the development of modern science and technology and the continuous improvement of modern industrial control system performance requirements, the linear feedback control has been difficult to meet various practical needs. Most often is the nonlinear control system, an approximate linear model can be more comprehensive, more easily analysis various performance of the system, but it is difficult to depict a nonlinear nature of the system, the designed controller is difficult to meet the requirements of the performance of the system. Dynamic characteristics of a linear system is not enough to explain the actual nonlinear phenomena of the many common. Nonlinear system analysis and design of the early without its own theoretical system, handling of the nonlinear system is mainly used to nonlinear piecewise linearization, and then use the linear control theory analysis and design. Key words: nonlinear PID controller; Power plant boiler main steam temperature; Using matlab simulation自动控制原理课程设计
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