自动控制理论实验指导书1.docx

1、自动控制理论实验指导书1实验一 典型环节的时域特性一、实验目的学会利用自动控制实验箱对控制系统进行典型环节时域分析。二、实验设备TDN-AC/ACS+型控制系统实验箱一套、安装Windows 98系统和ACS2002应用软件的计算机一台。三、实验内容一）典型环节1典型环节的方框图及传递函数2典型环节的模拟电路图及输出响应 实验二 典型二阶系统的时域特性一、实验目的学会利用自动控制实验箱对二阶控制系统进行时域分析。二、实验设备TDN-AC/ACS+型控制系统实验箱一套、安装Windows 98系统和ACS2002应用软件的计算机一台。三、实验内容1、二阶系统动态特性的测试1. 典型二阶系统的方框

2、图和模拟电路图 典型二阶系统的方框图及传函图1-2是典型二阶系统的原理方框图，其中T0=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2.5和1。开环传函： 其中：开环增益。闭环传函： 其中： 表1-2列出有关二阶系统在三种情况（欠阻尼、临界阻尼和过阻尼）下具体参数的表达式，以便计算理论值。 模拟电路图见图1-3。2. 实验内容及步骤 准备：将“信号源单元”（U1 SG）的ST插针和+5V插针用“短路块”短接，使运算放大器反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。 二阶系统瞬态性能指标的测试步骤： 按图1-3接线，R=10K。 用示波器观察系统阶跃响应C(t)，测量并记录超调量Mp，峰值时间Tp和调节时间

3、ts，并记录在表1-3中。 分别按R=20K;40K;100K改变系统开环增益，观察响应的阶跃响应C(t)，测量并记录性能指标Mp，Tp和ts，及系统的稳定性。并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较，参数取值及响应曲线，详见表1-3。四、实验报告要求1. 在阶跃信号作用下，画出二阶系统的的阶跃响应曲线，并分析其特点。2. 根据实验报告格式和以上要求写出实验报告。实验三 控制系统的稳定性和稳态误差一、实验目的1学会利用MATLAB对控制系统的稳定性进行分析；2学会利用MATLAB计算系统的稳态误差。二、实验设备安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、实验内容1利用

4、MATLAB描述系统数学模型如果系统的的数学模型可用如下的传递函数表示则在MATLAB下，传递函数可以方便的由其分子和分母多项式系数所构成的两个向量惟一确定出来。即num=b0,b1 , bm; den=1,a1,a2 ,an例2-1 若系统的传递函数为试利用MATLAB表示。解 对于以上系统的传递函数，可以将其用下列MATLAB命令表示num=4;den=1,3,2,5;printsys(num,den)结果显示：num/den = 4 - s3 + 3 s2 + 2 s+5当传递函数的分子或分母由若干个多项式乘积表示时，它可由MATLAB 提供的多项式乘法运算函数conv( )来处理，以获

5、得分子和分母多项式向量，此函数的调用格式为 p=conv(p1,p2)其中，p1和p2分别为由两个多项式系数构成的向量，而p为p1和p2多项式的乘积多项式系数向量。conv( )函数的调用是允许多级嵌套的。例2-2 若系统的传递函数为试利用MATLAB求出其用分子和分母多项式表示的传递函数。解 对于以上系统的传递函数，可以将其用下列MATLAB命令表示num=4*1,6,6;den=conv(1,0,conv(1 1,1,3,2,5);printsys(num,den)结果显示：num/den = 4 s2 + 24 s + 24 - s5 + 4 s4 + 5 s3 + 7 s2 + 5 s

6、2利用MATLAB分析系统的稳定性在分析控制系统时，首先遇到的问题就是系统的稳定性。判断一个线性系统稳定性的一种最有效的方法是直接求出系统所有的极点，然后根据极点的分布情况来确定系统的稳定性。对线性系统来说，如果一个连续系统的所有极点都位于左半s平面，则该系统是稳定的。MATLAB中根据特征多项式求特征根的函数为roots( )，其调用格式为r=roots(p)其中，p为特征多项式的系数向量；r为特征多项式的根。另外，MATLAB中的pzmap( )函数可绘制系统的零极点图，其调用格式为p,z=pzmap(num,den)其中，num和den分别为系统传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列

7、构成的系数行向量。当pzmap( )函数不带输出变量时，可在当前图形窗口中绘制出系统的零极点图；当带有输出变量时，也可得到零极点位置，如需要可通过pzmap(p,z)绘制出零极点图，图中的极点用“”表示，零点用“o”表示。例2-3 已知系统的传递函数为给出系统的零极点图，并判定系统的稳定性。图2-1 零极点图 解 利用以下MATLAB命令num=3 2 1 4 2;den=3 5 1 2 2 1;r=roots(den),pzmap(num,den)执行结果可得以下极点和如图2-1所示的零极点图。r = -1.6067 0.4103 + 0.6801i 0.4103 - 0.6801i -0.

8、4403 + 0.3673i -0.4403 - 0.3673i 由以上结果可知，系统在右半s平面有两个极点，故系统不稳定。3利用MATLAB计算系统的稳态误差对于图2-2所示的反馈控制系统，根据误差的输入端定义，利用拉氏变换终值定理可得稳态误差ess图2-2 反馈控制系统在MATLAB中，利用函数dcgain( )可求取系统在给定输入下的稳态误差，其调用格式为ess=dcgain (nume,dene)其中，ess为系统的给定稳态误差；nume和dene分别为系统在给定输入下的稳态传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数行向量例2-4 已知单位反馈系统的开环传递函数为试求该系统在

9、单位阶跃和单位速度信号作用下的稳态误差。解 (1) 系统在单位阶跃和单位速度信号作用下的稳态传递函数分别为(2) MATLAB命令为nume1=1 2 1;dene1=1 2 2;ess1=dcgain (nume1,dene1)nume2=1 2 1;dene2=1 2 2 0;ess2=dcgain (nume2,dene2)执行后可得以下结果。ess1 = 0.5000ess2 = Inf四、实验报告要求实验四 控制系统的根轨迹和频域特性分析一、实验目的1学会利用MATLAB绘制系统的根轨迹，并对系统进行分析；2学会利用MATLAB对系统进行频域特性分析。二、实验设备安装Windows系

10、统和MATLAB软件的计算机一台。三、实验内容1基于MATLAB的控制系统根轨迹分析1）利用MATLAB绘制系统的根轨迹利用rlocus( )函数可绘制出当根轨迹增益k由0至+变化时，闭环系统的特征根在s平面变化的轨迹，该函数的调用格式为r,k=rlocus(num,den) 或 r,k=rlocus(num,den,k)其中，返回值r为系统的闭环极点，k为相应的增益。rlocus( )函数既适用于连续系统，也适用于离散系统。rlocus(num,den)绘制系统根轨迹时，增益k是自动选取的，rlocus(num,den, k)可利用指定的增益k来绘制系统的根轨迹。在不带输出变量引用函数时，r

11、olcus( )可在当前图形窗口中绘制出系统的根轨迹图。当带有输出变量引用函数时，可得到根轨迹的位置列向量r及相应的增益k列向量，再利用plot(r,x)可绘制出根轨迹。2）利用MATLAB获得系统的根轨迹增益在系统分析中，常常希望确定根轨迹上某一点处的增益值k，这时可利用MATLAB中的rlocfind( )函数，在使用此函数前要首先得到系统的根轨迹，然后再执行如下命令k,poles=rlocfind(num,den) 或 k,poles=rlocfind(num,den,p)图3-1 负反馈系统的根轨迹其中，num和den分别为系统开环传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数向

12、量；poles为所求系统的闭环极点；k为相应的根轨迹增益；p为系统给定的闭环极点。例3-1 已知某反馈系统的开环传递函数为试绘制该系统根轨迹，并利用根轨迹分析系统稳定的k值范围。解 MATLAB的命令为num=1;den=conv(1,0,conv(1,1,1,2);rlocus(num,den);k,poles=rlocfind(num,den)执行以上命令，并移动鼠标到根轨迹与虚轴的交点处单击鼠标左键后可得如图3-1所示的根轨迹和如下结果： Select a point in the graphics windowselected_point = 0.0000 - 1.4142ik = 6

13、.0000poles = -3.0000 0.0000 +1.4142i 0.0000 - 1.4142i 由此可见根轨迹与虚轴交点处的增益k=6，这说明当k6时，系统不稳定；利用rlocfind( )函数也可找出根轨迹从实轴上的分离点处的增益k =0.38, 这说明当0k0.38时，系统为单调衰减稳定，当0.38knum=1;den=conv(1,0,conv(1,1,1,2);rlocus(-num,den);k,poles=rlocfind(-num,den,-2.3+2.02j)执行以上命令可得如下结果和如图3-2所示的根轨迹。图3-2 正反馈系统的根轨迹k = 15.0166pole

14、s = -2.3011 + 2.0195i -2.3011 - 2.0195i 1.6021由此可见，点-2.3j2.02确实为根轨迹上的，且该点处的增益为15.0166，而由于另一个闭环极点位于正实轴上的1.6021点处，故此时系统不稳定。实际上由于系统的一条根轨迹一直位于正实轴上，因此该系统在所有的正值增益k值下均不稳定。2. 基于MATLAB的控制系统频域分析1）利用MATLAB绘制系统的Bode图MATLAB提供的函数bode( )可以绘制系统Bode图，该函数的调用格式为mag,phase,w=bode(num,den)式中，num和den分别为系统开环传递函数的分子和分母多项式的系

15、数按降幂排列构成的系数行向量；w为频率点构成的向量；mag为系统的幅值；phase为系统的相位。频率向量可由logspace( )函数来构成。此函数的调用格式为=logspace(m,n,npts)此命令可生成一个以10为底的指数向量(10m10n )，点数由npts任意选定。当bode( )函数带输出变量引用函数时，可得系统Bode图相应的幅值mag，相位phase及频率点向量，有了这些数据就可利用下面的MATLAB命令绘制系统的Bode图。 subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag);subplot(2,1,2);semilogx(w,phase)图3-

16、3 Bode图如果只想绘制出系统的Bode图，而对获得幅值和相位的具体数值并不感兴趣，则可以采用如下简单的调用格式 bode(num,den)例3-3 已知二阶系统的开环传递函数为绘制出当n=3和=0.3时系统的Bode图。解 MATLAB命令为wn=3;zeta=0.3; w=logspace(-1,2);num=wn.2;den=1 2*zeta*wn wn.2;bode(num,den,w);grid;执行后得如图3-4所示Bode图。在曲线窗口中，通过利用鼠标单击曲线上任意一点，可以获得此点所对应的系统在该点的频率与幅值或频率与相位等有关信息。2）利用MATLAB绘制系统的Nyquis

17、t图MATLAB提供的函数nyquist( )可以绘制系统Nyquist图，该函数的调用格式为Re,Im,w=nyquist(num,den)其中，num和den分别为系统开环传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数行向量；Re,Im和w分别为频率特性的实部向量、虚部向量和对应的频率向量。有了这些值就可利用命令plot(Re,Im)来直接绘出系统的奈奎斯特图。当然，Nyquist图也可采用与Bode图类似的简单命令来直接绘制。例3-4 已知系统的开环传递函数为图3-4 Nyquist曲线绘制Nyquist图，并判断系统的稳定性。解 MATLAB命令为num=0.5;den=1 2 1 0.5; nyquist(num,den) 执行后可得如图3-5所示的曲线，由于Nyquist曲线没有包围(-1,j0)点，且P0，所以由G(s)H(s)构成的单位负反馈闭环系统稳定。在Nyquist曲线窗口中，也可利用鼠标通过单击曲线上任意一点，获得此点所对应的系统的开环频率特性，在该点的实部和虚部及其频率的值，如图3-4所示。