南郵自動控制原理上機報告[蒼松書屋]

1、南京郵電大學(xué)實驗報告（2016/2017學(xué)年第一學(xué)期）實驗名稱：一控制系統(tǒng)的時域分析二線性系統(tǒng)的根軌跡研究三系統(tǒng)的頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性分析四連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正課程名稱：自動控制原理班級學(xué)號：B14040325姓名：杜楷指導(dǎo)老師：周穎實驗一控制系統(tǒng)的時域分析1.1實驗?zāi)康模? 觀察控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)；2 記錄單位階躍響應(yīng)曲線；3 掌握時間響應(yīng)分析的一般方法；4 初步了解控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。1.2實驗步驟：5 開機進(jìn)入Matlab2012運行界面。6 Matlab指令窗：Command Window. 運行指令：con_sys; 進(jìn)入本次實驗主界面。7 分別雙擊上圖中的三個按鍵，依次完成實驗內(nèi)容。8 本

2、次實驗的相關(guān)Matlab函數(shù)：tf(num,den)可輸入一傳遞函數(shù)。step(G,t)在時間范圍t秒內(nèi)，畫出階躍響應(yīng)圖。二、 實驗內(nèi)容：1. 觀察一階系統(tǒng)G=1/(T+s) 的時域響應(yīng)：取不同的時間常數(shù)T，分別觀察該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)以及單位加速度響應(yīng)。脈沖響應(yīng):T=5sT=7s階躍響應(yīng):T=7sT=9s斜坡響應(yīng):T=9sT=11s單位加速度響應(yīng):T=11sT=13s2. 二階系統(tǒng)的時域性能分析：(1)調(diào)節(jié)時間滑塊，使階躍響應(yīng)最終出現(xiàn)穩(wěn)定值。(2)結(jié)合系統(tǒng)的零極點圖，觀察自然頻率與阻尼比對極點位置的影響。自然頻率越大，阻尼比越大，零極點之間的角度越小。(3)結(jié)合時域響應(yīng)圖，觀

3、察自然頻率與阻尼比對階躍響應(yīng)的影響。自然頻率越小，阻尼比越小，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)幅值越大。(4)調(diào)節(jié)自然頻率與阻尼比，要求：Tr0.56sTp1.29sTs5.46超調(diào)不大于5.記錄下滿足上述要求的自然頻率與阻尼比。自然頻率=6.624rad/sec阻尼比=0.69058自然頻率=16.9538rad/sec阻尼比=0.735783. 結(jié)合自動控制原理一書，Page 135，題3_10. 分別觀察比例_微分與測速反饋對二階系統(tǒng)性能的改善。(1).按原始的調(diào)節(jié)參數(shù)輸入，調(diào)節(jié)時間滑塊，使階躍響應(yīng)最終出現(xiàn)穩(wěn)定值。(2).采用不同的G輸入，觀察各項性能指數(shù)。調(diào)節(jié)時間Ts=7.4233s上升時間Tr=1.3

4、711s超調(diào)量Delt=39.5344%峰值時間Tp=2.3191s調(diào)節(jié)時間Ts=14.846s上升時間Tr=2.7423s超調(diào)量Delt=39.5244%峰值時間Tp=4.6382s(3).分別取不同的K3，觀察比例_微分控制對系統(tǒng)性能的改善。比例_微分控制能有效改善系統(tǒng)性能使系統(tǒng)更快趨于穩(wěn)定。（4）設(shè)置不同的K4，觀察測速反饋對系統(tǒng)性能的影響。測速反饋能有效改善系統(tǒng)性能使系統(tǒng)更快趨于穩(wěn)定。(5).調(diào)節(jié)各個參數(shù)，使系統(tǒng)階躍響應(yīng)滿足： 上升時間Tr3.5s 超調(diào)量 2%.記錄下此時各個參數(shù)數(shù)據(jù)。實驗二 線性系統(tǒng)的根軌跡研究2.1 實驗?zāi)康模?） 考察閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡的一般形成規(guī)律。（2） 觀察和

5、理解引進(jìn)零極點對閉環(huán)根軌跡的影響。（3） 觀察、理解根軌跡與系統(tǒng)時域響應(yīng)之間的聯(lián)系。（4） 初步掌握利用產(chǎn)生根軌跡的基本指令和方法。2.2 實驗內(nèi)容根軌跡繪制的指令法、交互界面法；復(fù)平面極點分布和系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系。已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，實驗要求：（1） 試用MATLAB的rlocus指令，繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡。（要求寫出指令，并繪出圖形。）指令：G=tf(1 2,1 8 26 40 25) rlocus(G)（2） 利用MATLAB的rlocfind指令，確定根軌跡的分離點、根軌跡與虛軸的交點。（要求寫出指令，并給出結(jié)果。）指令：rlocfind(G)分離點：-2.0095 + 1.

6、0186i K=0.0017與虛軸的交點：-0.0000 + 3.6025i K=65.8411（3） 利用MATLAB的rlocfind指令,求出系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益,并用指令驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益：65.8411由于系統(tǒng)無右半平面的開環(huán)極點，且奈奎斯特曲線不包圍（-1，j0）點，系統(tǒng)穩(wěn)定。（4） 利用SISOTOOL交互界面，獲取和記錄根軌跡分離點、根軌跡與虛軸的交點處的關(guān)鍵參數(shù)，并與前面所得的結(jié)果進(jìn)行校對驗證。（要求寫出記錄值，并給出說明。）指令：SISOTOOL(G)原值：K=0.00017 校正值：K=0.000169原值：K=65.8411 校正值：K=71.8（5） 在S

7、ISOTOOL界面上，打開閉環(huán)的階躍響應(yīng)界面，然后用鼠標(biāo)使閉環(huán)極點（小紅方塊）從開環(huán)極點開始沿根軌跡不斷移動，在觀察三個閉環(huán)極點運動趨向的同時，注意觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)的變化。根據(jù)觀察，（A）寫出響應(yīng)中出現(xiàn)衰減振蕩分量時的K的取值范圍，（B）寫出該響應(yīng)曲線呈現(xiàn)“欠阻尼”振蕩型時的K的取值范圍。（A）0K71.8（B）0K71.8（6） 添加零點或極點對系統(tǒng)性能的影響，以二階系統(tǒng)為例開環(huán)傳遞函數(shù)添加零點，增加系統(tǒng)阻尼數(shù)，超調(diào)量減小，在sisotool界面上做仿真，寫出未添加零點時系統(tǒng)的超調(diào)量，峰值，調(diào)節(jié)時間，添加零點后系統(tǒng)的超調(diào)量，峰值，調(diào)節(jié)時間，并寫出系統(tǒng)添加零點的數(shù)值，并進(jìn)行理論分析。(選做)指

8、令：G=tf(1,1 0.6 0)添加零點s=-0.417實驗三系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性研究2.3 實驗?zāi)康模?） 繪制并觀察典型開環(huán)系統(tǒng)的Nyquist圍線。（6） 繪制并觀察典型開環(huán)系統(tǒng)的Bode 圖。（7） 運用Nyquist準(zhǔn)則判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（8） 初步掌握相關(guān)MATLAB指令的使用方法。2.4 預(yù)習(xí)要求（1） 開環(huán)Nyquist曲線、Bode圖的基本成圖規(guī)律。（2） 典型開環(huán)系統(tǒng)Nyquist圍線的成圖規(guī)律。（3） Nyquisi原理和使用要領(lǐng)。（4） 閱讀和了解相關(guān)的MATLAB指令。2.5 實驗內(nèi)容一 （必做內(nèi)容）使用sisotool交互界面研究典型開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線，

9、并進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性討論。以下各小題的要求：（A） 根據(jù)所給開環(huán)傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式，繪制相應(yīng)的幅相頻率曲線和對數(shù)幅相頻率曲線。（B） 顯示出曲線對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)具體表達(dá)式。（C） 假如MATLAB指令繪制的幅相頻率曲線不封閉，或用文字說明所缺部分曲線的走向，或在圖上加以添加所缺曲線；曲線與(-1,0)點的幾何關(guān)系應(yīng)足夠清晰，能支持判斷結(jié)論的導(dǎo)出。（D） 對該開環(huán)函數(shù)構(gòu)成的單位負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性作出判斷，說明理由；假如閉環(huán)不穩(wěn)定，則應(yīng)指出不穩(wěn)定極點的數(shù)目。（7） ，其中K , T1 , T2 可取大于0的任意數(shù)。取K=1，T1=1，T2=2； 指令如下：G=tf(1,2 3 1)Transfe

10、r function: 1-2 s2 + 3 s + 1 margin(G)nyquist(G)P=0,R=0,Z=0系統(tǒng)穩(wěn)定（8） ，其中K , T1 , T2 , T3 可取大于0的任意取K=1，T1=1，T2=2，T3=3；指令如下：G=tf(1,6 11 6 1)Transfer function: 1-6 s3 + 11 s2 + 6 s + 1margin(G) nyquist(G)P=0,R=0,Z=0系統(tǒng)穩(wěn)定（9） ，其中K , T1 可取大于0的任意數(shù)。取K=1，T1=1；指令如下：G=tf(1,1 1 0)Transfer function: 1-s2 + smargin(

11、G) nyquist(G)P=0,R=0,Z=0系統(tǒng)穩(wěn)定（10） ，其中K , T1 , T2 可取大于0的任意數(shù)。取K=1，T1=1，T2=2；指令如下：G=tf(1,2 3 1 0)Transfer function: 1-2 s3 + 3 s2 + smargin(G)nyquist(G)P=0,R=0,Z=0系統(tǒng)穩(wěn)定（11） ，其中。 K 可取大于0的任意數(shù)。K=1，Ta=1，T1=1，T2=2；指令如下：G=tf(1 1,2 3 1 0)Transfer function: s + 1-2 s3 + 3 s2 + smargin(G)nyquist(G)P=0,R=0,Z=0系統(tǒng)穩(wěn)定

12、（12） ，其中K , T1 可取大于0的任意數(shù)。K=1，T1=1；指令如下：G=tf(1,1 1 0 0)Transfer function: 1-s3 + s2margin(G) nyquist(G)臨界穩(wěn)定（13） ，其中K 可取大于0的任意數(shù)。K=1，Ta=2，T1=1；指令如下：G=tf(2 1,1 1 0 0)Transfer function: 2 s + 1-s3 + s2margin(G)nyquist(G)臨界穩(wěn)定（14） ，其中K 可取大于0的任意數(shù)。K=1，Ta=1，T1=2；指令如下：G=tf(1 1,2 1 0 0)Transfer function: s + 1-

13、2 s3 + s2margin(G)nyquist(G)臨界穩(wěn)定實驗四 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計，并通過模擬實驗檢驗設(shè)計的正確性。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機一臺三、實驗內(nèi)容 1串聯(lián)超前校正（1）系統(tǒng)模擬電路圖如圖5-1，圖中開關(guān)S斷開對應(yīng)未校情況，接通對應(yīng)超前校正。圖5-1 超前校正電路圖 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2圖5-2 超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串聯(lián)滯后校正（1） 模擬電路圖如圖5-3，開

14、關(guān)s斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)滯后校正。圖5-3 滯后校正模擬電路圖（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖5-4 圖5-4 滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1(s）=10 10（s+1） Gc2（s）= 11s+1四、實驗步驟1.啟動計算機，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。超前校正：3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-1)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。4.開關(guān)s放在斷開位置。5.在實

15、驗項目的下拉列表中選擇實驗五五、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正。鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。6.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟5,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中： 超前校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線見圖1.1見圖1.2%66.419.1Tp（秒）0.1960.142Ts（秒）1.0460959滯后校正：7.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-3)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。

16、檢查無誤后接通電源。8.開關(guān)s放在斷開位置。9.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗五五、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正。鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框，在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。10.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟9,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中： 滯后校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線見圖2.1見圖2.2%77.225.4Tp（秒）0.2220.367Ts（秒）1.2390.951圖1.1圖1.2圖2.1圖2.2實驗五 非線性實驗一、實驗?zāi)康?了解非線性環(huán)節(jié)的特性。2掌握非線性環(huán)節(jié)的模擬結(jié)構(gòu)。二、實驗儀

17、器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機一臺三、實驗原理1. 非線性特性的測量方法非線性特性的測量線路如圖10-1所示。三角波發(fā)生器的輸出AD1接至被測非線性環(huán)節(jié)的輸入端，而非線性環(huán)節(jié)的輸出接至AD/DA卡的采集輸入端DA1。這樣運行軟件，可以從軟件界面上看到輸入和輸出波形。 AD/DA卡 被測非線性環(huán)節(jié) AD/DA卡 圖10-1 非線性特性的測量電路2. 三角波信號的產(chǎn)生三角波信號如圖10-2所示，是由軟件編程后通過D/A轉(zhuǎn)換后從DA1端輸出，是一個周期從-5到+5V，然后從+5V到-5V變化的波形。 +5V -5V圖10-2 三角波信號四、實驗內(nèi)容1.飽和特性、繼電器特性和滯

18、環(huán)繼電器特性模擬電路及輸出特性曲線。改變R1、R2、R3、R4的阻值，使a的值大于、等于、小于1，即可得到不同的模擬繼電器特性。圖10-3 非線性環(huán)節(jié)特性2. 死區(qū)特性模擬電路及輸出特性曲線。改變R1、R2的阻值可改變死區(qū)寬度M。圖10-4 死區(qū)特性五、實驗步驟1.啟動計算機，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入,檢查無誤后接通電源。4. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗十十、非線性實驗。5. 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)