自動控制原理MATLAB實驗報告

實驗一典型環(huán)節(jié)的MATLAB仿真一、實驗目的1■熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模塊的使用方法。2■通過觀察典型環(huán)節(jié)在單位階躍信號作用下的動態(tài)特性，加深對各典型環(huán)節(jié)響應曲線的理解。3■定性了解各參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。二、實驗原理1■比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Z RG(s)=——2=——2=—2 R=100K,R=200KZ R 1 211其對應的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1所示。Gmi「i Gmi「i ￡i：：i：ipR"=RCR"=RC+12120.2s+1圖1比例環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形2■慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為R=100K,R=200K,C=1uf121其對應的模擬電路及SIMULINK圖形如圖2所示。圖2慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形3■積分環(huán)節(jié)（I）的傳遞函數(shù)為R=100K,CR=100K,C=1uf1一RCs 0.1s11其對應的模擬電路及SIMULINK圖形如圖3所示。Ir^nsterFi：：nIr^nsterFi：：n圖3圖3積分環(huán)節(jié)的模擬電路及及SIMULINK圖形4■微分環(huán)節(jié)（D）的傳遞函數(shù)為G(s)一？一R1C1s一s1R=100K,G(s)一？一R1C1s一s1R=100K,C=10wfi 1C<<C21=0.01uf其對應的模擬電路及SIMULINK圖形如圖4所示。StepDeriuativp圖4微分環(huán)節(jié)的模擬電路及及SIMULINK圖形5■比例+微分環(huán)節(jié)（PD）的傳遞函數(shù)為7 RG(s)=—-=—-2(RCs+1)=—(0.1s+1)7 R 1111R=R=100K,C=10uf121C<<C=0.01uf其對應的模擬電路及SIMULINK圖形如圖5所示。StepDerivjtive學號：圖5比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形曲線6■比例+積分環(huán)節(jié)（PI）的傳遞函數(shù)為=-(1+-)sR=R=100K,C=10uf=-(1+-)s121Stsp Integrator其對應的模擬電路及SIMULINK圖形如圖6Stsp Integrator三、實驗內容圖6比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形曲線三、實驗內容按下列各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立相應的SIMULINK仿真模型，觀察并記錄其單位階躍響應波形。比例環(huán)節(jié)G(s)=1和G(s)=2；11慣性環(huán)節(jié)G(s)=丄和G(s)=-一1s+1 2 0.5s+1積分環(huán)節(jié)q(s)=A；微分環(huán)節(jié)G(s)=s1比例+微分環(huán)節(jié)(PD)G(s)=s+2和G(s)=s+112比例+積分環(huán)節(jié)(pi)g(s)=1+ys和g(s)=1+y2s四、實驗報告記錄各環(huán)節(jié)的單位階躍響應波形，并分析參數(shù)對響應曲線的影響。比例環(huán)節(jié)：G(s)=1(如圖7所示)1

G(s)=2(如圖8所示)1慣性環(huán)節(jié)：如圖10所示）G（s）=丄（如圖如圖10所示）1s+1積分環(huán)節(jié)：q（s）=苴（如圖11所示）微分環(huán)節(jié)：GJs）=s（如圖12所示）比例+微分環(huán)節(jié)（PD）：G（s）=s+2（如圖13所示）1

G（s）=s+1（如圖14所示）2G2G2（s）=1+5如圖16所示）比例+積分環(huán)節(jié)（PI）：G（s）=1+1s（如圖15所示）5班級：姓名：學號：實驗二基于MATLAB控制系統(tǒng)單位階躍響應分析一.實驗目的學會使用MATLAB編程繪制控制系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。2?研究二階控制系統(tǒng)中，n對系統(tǒng)階躍響應的影響。掌握準確讀取動態(tài)特性指標的方法。分析二階系統(tǒng)閉環(huán)極點和閉環(huán)零點對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實驗報告已知單位負反饋前向通道的傳遞函數(shù)為：G(s)=51?試作出其單位階躍響應曲線，準確讀出其動態(tài)性能指標，并記錄數(shù)據(jù)。分析sn不變時，改變阻尼比，觀察閉環(huán)極點的變化及其階躍響應的變化。當=0,,,，1，時，求對應系統(tǒng)的閉環(huán)極點、自然振蕩頻率及階躍響應曲線。3.保持=不變，分析3n變化時，閉環(huán)極點對系統(tǒng)單位階躍響應的影響。當n=10,30,50時，求系統(tǒng)的階躍響應曲線。4.分析系統(tǒng)零極點對系統(tǒng)階躍響應的影響。實驗三基于MATLAB控制系統(tǒng)的根軌跡及其性能分析一、 實驗目的熟練掌握使用MATLAB繪制控制系統(tǒng)零極點圖和根軌跡圖的方法。學會分析控制系統(tǒng)根軌跡的一般規(guī)律。利用根軌跡圖進行系統(tǒng)性能分析。研究閉環(huán)零、極點對系統(tǒng)性能的影響。二、 實驗原理根軌跡與穩(wěn)定性當系統(tǒng)開環(huán)增益從變化時，若根軌跡不會越過虛軸進入s右半平面，那么系統(tǒng)對所有的K值都是穩(wěn)定的；若根軌跡越過虛軸進入s右半平面，那么根軌跡與虛軸交點處的K值，就是臨界開環(huán)增益。應用根軌跡法，可以迅速確定系統(tǒng)在某一開環(huán)增益或某一參數(shù)下的閉環(huán)零、極點位置，從而得到相應的閉環(huán)傳遞函數(shù)。根軌跡與系統(tǒng)性能的定性分析穩(wěn)定性。如果閉環(huán)極點全部位于s左半平面，則系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，即穩(wěn)定性只與閉環(huán)極點的位置有關，而與閉環(huán)零點位置無關。運動形式。如果閉環(huán)系統(tǒng)無零點，且閉環(huán)極點為實數(shù)極點，則時間響應一定是單調的；如果閉環(huán)極點均為復數(shù)極點，則時間響應一般是振蕩的。超調量。超調量主要取決于閉環(huán)復數(shù)主導極點的衰減率，并與其它閉環(huán)零、極點接近坐標原點的程度有關。調節(jié)時間。調節(jié)時間主要取決于最靠近虛軸的閉環(huán)復數(shù)極點的實部絕對值；如果實數(shù)極點距虛軸最近，并且它附近沒有實數(shù)零點，則調節(jié)時間主要取決于該實數(shù)極點的模值。實數(shù)零、極點影響。零點減小閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，從而使系統(tǒng)的峰值時間提前，超調量增大；極點增大閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)的峰值時間滯后，超調量減小。而且這種影響將其接近坐標原點的程度而加強。三、 實驗報告1.已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)H(s)二 S2+5s+5 ，繪制系統(tǒng)的零極點圖。s(s+1)(s2+2s+2)2.若已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，繪制控制系統(tǒng)的根軌跡圖，并分析根軌跡的一般規(guī)律。G(s)H(s)=kG(s)H(s)=ks(s+1)(s+2)實驗線性系統(tǒng)的頻域分析實驗線性系統(tǒng)的頻域分析一、實驗目的1■掌握用MATLAB語句繪制各種頻域曲線。2．掌握控制系統(tǒng)的頻域分析方法。二、實驗報告1．典型二階系統(tǒng)32 n s2+23s+32nn繪制出3二6,匚=0.1,,,,2的bode圖，記錄并分析匚對系統(tǒng)bode圖的影響。n2．系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

10G10G(')_s2(5s-1)(s+5)G(s)二G(s)二s2(s+15)(s2+6s+10)4(s/3+1)s(0.02s+1)(0.05s+1)(0.1s+1)繪制系統(tǒng)的Nyquist曲線、Bode圖，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過繪制階躍響應曲線驗證。3■已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G3■已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)二s+1s2(0.1s+1)。求系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率、穿越頻率、幅值裕度和相位裕度。應用頻率穩(wěn)定判據(jù)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4．根據(jù)頻域分析方法分析系統(tǒng)，說明頻域法分析系統(tǒng)的優(yōu)點。實驗五線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗目的1■熟練掌握用MATLAB語句繪制頻域曲線。2．加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用二、實驗內容采用PI調節(jié)器串聯(lián)校正對于給定的單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示：8.15 _9 (1+0.05s)(1+0.01s)圖1原閉環(huán)系統(tǒng)結構圖串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為G(s)=6.13(1*0.05s)，試畫出原系統(tǒng)及各校正環(huán)節(jié)的模cs擬線路圖及校正前后系統(tǒng)的閉環(huán)結構圖，記錄測試數(shù)據(jù)及響應波形，并分析校正前后系統(tǒng)的性能。采用PD調節(jié)器串聯(lián)校正對于給定的單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示圖2原閉環(huán)系統(tǒng)結構圖串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為G(s)=8(1+0.25s)，試畫出原系統(tǒng)及各校正環(huán)節(jié)的模擬c線路圖及校正前后系統(tǒng)的閉環(huán)結構圖，記錄測試數(shù)據(jù)及響應波形