創(chuàng)新性實驗總結(jié)報告

山東科技大學(xué)電工電子實驗教學(xué)中心創(chuàng)新性實驗研究報告課程名稱：自動控制創(chuàng)新實驗實驗項目名稱雙旋翼飛機控制系統(tǒng)的設(shè)計一、實驗摘要本實驗針對雙旋翼飛機控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過繪制分析系統(tǒng)根軌跡圖，研究線性系統(tǒng)的開環(huán)增益K對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并找出使系統(tǒng)穩(wěn)定時K的范圍。觀察系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下對單位階躍輸入和單位階躍擾動的響應(yīng)，研究系統(tǒng)的動態(tài)性能如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間。最后引入前置濾波器來對系統(tǒng)性能加以改善。二、實驗?zāi)康?.掌握線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的測試方法及動態(tài)性能指標(biāo)的測試技術(shù)；2.掌握線性系統(tǒng)根軌跡繪制的分析方法；3.研究線性系統(tǒng)的參數(shù)（開環(huán)增益）對穩(wěn)定性的影響。4.掌握Matlab和Simulink模擬仿真分析控制系統(tǒng)的性能三、實驗場地及儀器、設(shè)備和材料：自動控制實驗室Pc機一臺Matlab軟件四、實驗內(nèi)容1、實驗原理根軌跡圖是開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變到無窮時，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式的根在s平面上變化的軌跡。根軌跡與系統(tǒng)性能之間有著比較密切的聯(lián)系，當(dāng)開環(huán)增益從零變到無窮時，若根軌跡不越過虛軸進(jìn)入s右半平面，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過勞斯判據(jù)可確定根軌跡與虛軸的交點，從而求出系統(tǒng)穩(wěn)定的K值的范圍。超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間能夠反應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)性能，應(yīng)盡可能使系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間變小，來提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。閉環(huán)零點能夠使峰值時間減小，使響應(yīng)速度加快，但會增大超調(diào)量。2、實驗內(nèi)容貝爾-波音V-22魚鷹式傾斜旋翼飛機既是一種普通飛機，又是一種直升機。當(dāng)飛機起飛和著陸時，其發(fā)動機位置可以使直升機垂直起降，而在起飛后又可以將發(fā)動機旋轉(zhuǎn)90度，切換到水平位置像普通飛機一樣飛行。在直升機模式下的高度控制系統(tǒng)如圖1所示?？刂破鞯膫鬟f函數(shù)為：，飛機動力學(xué)模型：。要求：(1)概略繪出當(dāng)控制器增益變化時的系統(tǒng)根軌跡圖，并確定使系統(tǒng)穩(wěn)定時的取值范圍；(2)時，求系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)下的響應(yīng)，并確定系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間()；(3)當(dāng)和時，求單位階躍擾動下的響應(yīng)；(4)在和第一個求和節(jié)點之間添加一個前值濾波，使，重新計算(2)。圖1.V-22魚鷹式傾斜旋翼機的高度控制系統(tǒng)3、實驗步驟一、（1）由概略根軌跡圖的繪制法則繪制閉環(huán)系統(tǒng)的概略根軌跡圖。（2）利用勞斯判據(jù)確定使系統(tǒng)穩(wěn)定時的K值的范圍。二、（1）通過實驗觀測當(dāng)K=280時，系統(tǒng)在單位階躍輸入下的輸出響應(yīng)曲線。（2）確定超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，分析之。三、（1）觀測當(dāng)K=280，r(t)=0時，系統(tǒng)在單位階躍擾動N(s)=1/s的輸出響應(yīng)曲線。（2）做簡要分析。四、比較增加前置濾波器前后閉環(huán)傳函的特點及對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，分析前置濾波器如何能改善系統(tǒng)動態(tài)性能。五、實驗結(jié)果與分析1、實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)記錄一、(1)繪制系統(tǒng)根軌跡圖：系統(tǒng)開環(huán)傳函G(s)==式中K*=0.01K極點：=0,=-0.05,=-0.1,=-2零點：=-0.5,=-1確定實軸上的根軌跡。實軸上[0-0.05],[-0.1-0.5],[-1-2]必為根軌跡區(qū)域。確定根軌跡的漸近線。由于n-m=2,故有兩條漸近線，交角=±90°,=-0.325確定分離點。分離點方程為：d=-0.022確定與虛軸的交點。閉環(huán)特征方程式為：s(s+0.05)(s+0.1)(s+2)+(s+0.5)(s+1)=0化簡得10.305+0.510.305+0.52.150.01+1.50.3+0.3020.50.5令,解得=0.005,=1.368令（0.3+0.302）+0.5=0，代入s=j,和，解得=0.09，=0.977因為K*=0.01K，所以使系統(tǒng)穩(wěn)定時的K值的范圍為：0<K<0.5或K>136.8。繪制系統(tǒng)根軌跡圖，如圖1所示。圖1二、當(dāng)K=280時，閉環(huán)傳函為：,應(yīng)用MATLAB軟件包，得到單位階躍輸入時系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線，如圖2所示。%=92.1%，=43.9%(△=2%)可得系統(tǒng)超調(diào)量過大，調(diào)節(jié)時間過長，系統(tǒng)動態(tài)性能不佳,需要改善。圖2三、當(dāng)K=280和r(t)=0時，擾動輸入閉環(huán)傳函為：，應(yīng)用MATLAB軟件包，得到單位階躍擾動輸入下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線，如圖3所示?？梢姅_動響應(yīng)開始時振幅較大但穩(wěn)定后是振動的，最大振幅約為0.003，故可忽略不計。圖3四、無前置濾波器時,閉環(huán)傳函為：有前置濾波器時，閉環(huán)傳函為：可見，與有相同的極點，但前者有-0.5和-1兩個閉環(huán)零點，雖可是峰值時間減小，使響應(yīng)速度加快，但會使超調(diào)量過大；而后者的閉環(huán)零點被前置濾波器完全對消，因而最終改善了系統(tǒng)動態(tài)性能。有前置濾波器器時，K=280時，在單位階躍輸入下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖4所示。圖43、關(guān)鍵點：概略根軌跡圖超調(diào)量調(diào)節(jié)時間動態(tài)性能穩(wěn)定性前置濾波器六、實驗結(jié)論通過實驗使我熟悉并掌握了系統(tǒng)根軌跡圖的繪制法則和分析方法，會利用勞斯判據(jù)確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的開環(huán)增益K值的范圍，比如勞斯判據(jù)的方程為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程?；菊莆樟讼到y(tǒng)對階躍輸入響應(yīng)曲線的測量方法及系統(tǒng)動態(tài)性能的分析方法。引入前置濾波器能使閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能得到改善，去掉了兩個閉環(huán)零點使系統(tǒng)超調(diào)量大為減少，閉環(huán)零點對系統(tǒng)動態(tài)性能得影響。同時對Matlab軟件也有了進(jìn)一步了解，以便于在以后的學(xué)習(xí)實驗中加以運用。七、指導(dǎo)老師評語及得分：簽名：年月日附件：源程序如下：系統(tǒng)概略根軌跡圖G=zpk([-0.5-1],[0-0.05-0.1-2],1);figurerlocus(G);axis([-1.5,1.5,-1.5,1.5]);K=280;num1=[K1.5*K0.5*K];den1=[0010];num2=[1];den2=[10021530.51];[numc,denc]=series(num1,den1,num2,den2);[numr,denr]=cloop(numc,denc);sysr=tf(numr,denr);t=0:0.01:80;當(dāng)K=280時，單位階躍輸入時系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線figuresysr=tf(numr,denr);t=0:0.01:80;step(sysr,t);holdon;當(dāng)K=280時，得到單位階躍擾動輸入下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線figureK=280;numh=[K1.5*K0.5*K];denh=[0010];numg=[1];deng=[10021530.51];[numn,denn]=feedback(numg,deng,numh,denh);sysn=tf(numn,denn);t=0:0.01:80;step(sysn,