交通运输自动控制原理课程设计.docx

1、 目 录 1 自动控制系统建模设计11.1系统建模题目111.1.1基本构成及机理分析21.1.2反馈控制结构模型及工作原理22 自动控制系统仿真实验分析72.1系统仿真实验题目172.1.1实验步骤72.1.2实验分析计算依据72.1.2结论图表数据分析72.2系统仿真实验题目282.3系统仿真实验题目38附录A 程序源代码40附录B 42参考文献441 自动控制系统建模设计11 系统建模题目1查阅控制系统的相关专业资料，运用自动控制系统的基本构成及反馈控制原理对通控制系统进行机理分析，建立其反馈控制结构模型，阐明系统的工作原理。我们选择ATO系统进行研究。ATO系统即列车自动驾驶子系统(A

2、TO-Automatic TrainOperation)。是列车控制系统(automatic train control，ATC)重要的子系统。ATO系统能代替司机驾驶列车，使列车平稳地加速到运行速度，并根据接收到的ATP限制速度命令和ATO到站停车速度曲线自动调整列车速度，实现列车牵引加速、匀速惰行、减速制动控制和精确停车等基本驾驶功能。ATO系统的功能分为基本控制功能和服务功能。基本控制功能包括：自动驾驶、自动折返、自动控制车门、屏蔽门开闭。这三个基本控制功能相互之间独立地运行。服务及其他功能包括：故障自诊断、运行信息记录、列车位置、允许速度、巡航/惰行功能、PTI(列车识别系统)支持功能

3、。 在这里我们主要分析ATO中自动驾驶（即自动调整列车速度）的功能，研究其自动控制的结构模型。 1.1.1 基本构成及机理分析ATO系统的速度调整系统构成：由运行等级模式曲线计算模块、PID速度控制器和受控对象（列车运行模型）共同组成。运行等级模式曲线的计算模块根据当前区间情况离线计算运行等级模式曲线，PID速度控制器根据选定的运行等级，以该等级的运行等级模式的目标速度一距离曲线为目标曲线，输出速度信号施加给受控对象（列车运行模型），控制列车快速平稳的跟随给定的目标速度曲线。其速度控制系统的框图如图所示。运行等级模式曲线计算模块PID速度控制器受控对象（列车运行模型）V -+ PID速度控制器

4、V1.1.2 反馈控制结构模型及工作原理受控对象+-上图为ATO控制系统的反馈结构模型。PID速度控制器即PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）控制器，由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，传递函数为：Kp 、Ki、Kd三个参数常量通过系统整定得到。受控对象即为列车模型，这里我们取列车模型的传递函数为：所以整个闭环系统的传递函数为：通过相关参数整定方法，我们可以得知：工作原理：在求和单元，来自运行等级模式曲线计算模块的目标速度信号和实际速度信号相加，共同输入PID速度控制器，这个控制器把收集到的实际速度信号和

5、一个目标速度信号进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的信号达到或者保持在目标速度。接着新的输入信号传递到列车，通过相关设备调整列车实际运行速度，最后设备观测的实际速度信号又反馈回求和单元。整个控制过程即反馈控制原理：由相关设备获得被控对象（列车）的实际速度信号，通过PID控制器比较计算，输出调整信号又作用于被控对象调整实际运行速度。2 自动控制系统仿真实验分析21 系统仿真实验题目1使用Matlab软件，对下图所示交通控制系统的特性进行仿真实验分析。被控对象列车或机动车速度K11/s1/(s+2)(s+8)K2=5_实际运行位置变量Y(S)位置目标变量R

6、(S)列车或机动车运行（位置）自动控制系统 （1）绘制K1=200时的开环对数频率特性图(Bode图)，仿真分析闭环系统稳定裕度。 （2）绘制关于参数K1的闭环系统的根轨迹图，仿真分析闭环系统的稳定性。2.1.1 实验步骤(1) 第一步：根据题目中的框图图求出其开环传递函数。 第二步：由求出来的开环传递函数运用Matlab软件画出Bode图。第三步：然后用Matlab对bode图求解稳定裕度。（2） 第一步：由题求出其闭环系统的开环传递函数第二步：运用函数语句rlocus(sys)由开环传递函数画出其闭环系统的根轨迹图。第三步：分析根轨迹图，讨论系统稳定性。2.1.2 实验分析计算依据由框图计

7、算系统开环传递函数：被控对象传递函数为：F(s)=1/(s2+10*s+21)k1=200时系统开环传递函数为：G(s)=k1* F(s)*1/s=200/(s*(s2+10*s+21)系统开环传递函数为：G= k1*1/(s*(s2+10*s+21)2.1.3 结论图表数据分析(1)利用matlab绘制开环对数频率特性图：上图为幅频特性曲线图，下图为相频特性曲线图同时利用matlab仿真分析闭环系统的稳定裕度：由图形可知, 幅值裕度Gm为0.424dB，相角裕度Pm为1.29deg工程上推荐幅值裕度大于6dB，相角裕度30-60deg.所以该系统稳定裕度较小，系统已经濒临不稳定，系统的灵敏性

8、和快速性较强，同时系统的振荡也较激烈。(2) 利用开环传递函数1/(s*(s2+10*s+21)，用rlocus(sys)语句绘制闭环系统根轨迹图，在根轨迹图上任意选择轨迹上某点就可以得到对应的参数K1=Gain.由根轨迹图我们可以发现，在虚轴上有3个极点，粗略估计分别当K1=209,0,209时取得。说明系统稳定的范围在K1取0209左右 ，当K1大于209后系统不稳定。22 系统仿真实验题目2司机驾驶汽车的模型如下图所示，其中，K=5.3。（a）若反应时间T=0,求出系统的闭环频率响应、增益裕度和相角裕度；（b）当T=0.1s时，估算系统的相角裕度；（c）为使系统临界稳定（即相角裕度为00

9、），计算所需的反应时间。C(s)横向偏移R(s)预期路线方向盘 汽车 预测器 2.2.1 实验步骤（a）根据题目框图求出系统开环传递函数；用matlab绘制开环bode图求闭环频率特性、增益裕度、相角裕度。（b）根据题目框图求出系统开环传递函数；并且用matlab绘制出相应的Bode图求出相角裕度。（c）利用matlab求出系统相角裕度的具体数值，令反应时间为一系列连续取值，编写循环程序，找到相角裕度为零时的反应时间。2.2.2 实验分析计算依据T=0时系统开环传递函数：G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3)T=0时系统闭环传递函数：G=5.3/(s3+5.3*s2+5.3*0

10、.8*s+5.3*0.32)T=0.1时系统开环传递函数：G=exp(-0.1*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3开环G=exp(-t*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s32.2.3 结论图表数据分析（a）系统的闭环频率响应、增益裕度和相角裕度由图可知幅值裕度Gm为-22.4dB，相角裕度Pm为81.3deg系统不稳定。（b）T=0.1时估算系统相角裕度由上图可知，当T=0.1时估算系统相角裕度Pm=51deg（c）为使系统临界稳定（即相角裕度为00），计算所需的反应时间。通过前期工作循环迭代工作，大概确定满足要求的最优反应时间在0.1到0.5之间，将T值范围确定

11、在0.1-0.5步长取0.0001，带入程序求最优值。由循环程序求出临界反应时间为T=0.2677此时系统Pm约等于0，系统处于临界稳定。23 系统仿真实验题目3人们常用电子电路和计算机来控制汽车。下图给出了一个汽车驾驶控制系统的例子，其中，控制杆负责操纵车轮。假定司机的反应时间T=0.2s。（a）用Bode图确定增益K的取值，使闭环系统的谐振峰Mp不大于2dB； （b）根据Mp或相角裕度分别估计系统的阻尼系数，若所得结果不同，请解释原因；（c）估计闭环系统的带宽。R(s)Y(s)行驶方向人的反应时间 车和前轮 控制杆2.3.1 实验步骤（a）使用循环求解法。前期试凑出K值的大概范围，然后在此

12、范围内连续取一系列的K值，找出符合条件的最优K值。求出K的取值范围。 （b）取K=2，求出此时系统的Mp与Pm分别利用两种公式求出系统的阻尼系数，比较差异，分析误差原因。（c）利用系统闭环传递函数，求出系统带宽。控制系统的闭环频率响应包括带宽和谐振峰值，带宽指闭环系统的bode图中幅频特性曲线下降到3分贝所对应的频率，谐振峰值指幅频特性曲线图中最大幅频值。bandwidth(sys)可以直接求出带宽2.3.2 实验步骤实验分析计算依据系统闭环传递函数：G=k*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+k*exp(-0.2*s)系统t=2时闭环传递函数：G=2*exp(-0.2*s)/(0.1

13、*s2+s+2*exp(-0.2*s)系统t=2时开环传递函数：G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s2+s)2.3.3 结论图表数据分析（a）用Bode图确定增益K的取值，使闭环系统的谐振峰Mp不大于2dB；由循环程序得最优K值为2.4780，此时谐振峰值为2所以K的取值范围为（0，2.4780）（b）根据Mp或相角裕度分别估计系统的阻尼系数，若所得结果不同，请解释原因；由程序求出此时系统Mp=0.4837dB，Pm = 3.0576deg阻尼系数由谐振峰值求得阻尼系数为：=由相角裕度求得阻尼系数为：=误差原因：（c）估计闭环系统的带宽。设K=2。此时闭环系统带宽用bandwidth

14、(sys)语句求出。同时绘制bode图，由图形求带宽，验证结果。由函数语句求出系统带宽为（0，4.2744）rad/s由闭环系统bode图可知，幅值-3dB对应的频率为带宽频率4.27rad/s与函数求出的带宽值符合附录A 程序源代码系统仿真实验题目1程序源代码：1.Bode图绘制代码: s=tf(s) G=200/(s*(s2+10*s+21) bode(G) grid2.Bode图稳定裕度代码: s=tf(s) G=200/(s*(s2+10*s+21)margin(G)3.根轨迹图源代码: s=tf(s)G=1/(s*(s2+10*s+21)rlocus(G)系统仿真实验题目2程序源代码

15、：1. T=0求闭环频率响应、增益裕度和相角裕度： s=tf(s); G=(5.3*(s2+0.8*s+0.32)/(s3); margin(G);2. T=0.1求相角裕度： s=tf(s); G=exp(-0.1*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3; margin(G);3. 系统临界稳定，计算所需反应时间：clc;clear;t=0.1:0.0001:0.5; %t的取值范围s=tf(s);for i=1:4000G=exp(-t(i)*s)*5.3*(s2+0.8*s+0.32)/s3 %传递函数Gm,Pm,Wcg,Wcp = margin(G);if 0Pm=2; %

16、谐振峰判断条件 breakendK=k(i); %最优K值endbode(G) %画出bode图2. 求K=2时 闭环系统谐振峰值 s=tf(s); G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s); m,p,w,=bode(G); mr=max(m); Mp=20*log10(mr); Mp求K=2时 闭环系统谐振相角裕度 s=tf(s); G=2*exp(-0.2*s)/ (0.1*s2+s); Pm = margin(G); Pm3.求K=2时闭环系统带宽： s=tf(s);G=2*exp(-0.2*s)/(0.1*s2+s+2*exp(-0.2*s);bandwidth(G)附录B 参考文献1 石17