《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告.docx

1、自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验任务书（2010）一仿真实验内容及要求：1MATLAB软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB仿真集成环境Simulink的使用。2各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法对教材P136.3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；对教材P136.3-9系统的动态性能及稳态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用；在MATLAB环境下完成英文讲义P153.E3.3

2、。对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在时，试采用微分反馈使系统的性能满足给定的设计指标。2）第四章 线性系统的根轨迹法在MATLAB环境下完成英文讲义P157.E4.5；利用MATLAB绘制教材P181.4-5-(3）；在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题4-10或4-18，并对结果进行分析。3）第五章 线性系统的频域分析法利用MATLAB绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能。5）第七章 线性离散系统的分析与校正利

3、用MATLAB完成教材P383.7-20的最小拍系统设计及验证。利用MATLAB完成教材P385.7-25的控制器的设计及验证。二仿真实验时间安排及相关事宜1依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师可随课程进度安排上机时间，学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时内完成仿真实验要求的内容；2实验完成后按规定完成相关的仿真实验报告；3仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订；4仿真实验报告必须在本学期第15学周结束之前上交授课教师。 自动化系自动控制原理课程组 2010.08第三章 线性系统的时域分析法3-5.设单位反馈系统的开环传递函数为：试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。对系

4、统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果。MATLAB程序：clear,clfs1=tf(0.4 1,1 1 1);s2=tf(1,1 1 1);figure(1);step(s1),hold onstep(s2,b-); %忽略闭环零点grid;hold off从图中可以看出：具有零点的系统的Tp=3.15 %=18% 忽略零点的系统的Tp=3.7 %=16%分析可得：加入闭环零点使得系统速度更快，跳动更猛。3-9.设控制系统如图所示。要求：对系统的动态性能及稳态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用。（1）取=0， =0.1，计算测速反馈校正系统的超调

5、量、调节时间和速度误差；（2）取=0.1， =0，计算比例-微分校正系统的超调量、调节时间和速度误差。MATLAB程序：clear,clfG=tf(10,1 1 0);T=tf(0.1 0,1);s1=feedback(feedback(G,T),1);s2=feedback(series(parallel(T,1),G),1)figure(1);step(s1),hold onstep(s2,b-);step(feedback(G,1); %校正前grid;hold off从图中可以看出：测速反馈系统（实线）的Tp=1.05 %=35% 比例微分系统（虚线）的Tp=0.93 %=37%分析可

6、得：测速反馈与比例微分都可以增大系统的阻尼，使阶跃响应曲线的超调量下降，调节时间缩短。但二者相比，比例微分因为给未校正系统加入了闭环零点，比起测速反馈系统速度更快了，但超调量却变大了。E3.3 A closed-loop control system is shown in Fig3.2,1）Detemine the transfer function C(s)/R(s).2）Detemine the poles and zeros of the transfer function.3）Use a unit step input, ,and obtain the partial fractio

7、n expansion for C(s) and the steady-state value.4）Polt c(t) and discuss the effect of the real and complex poles of the transfer function. 在MATLAB环境下完成英文讲义E3.3。MATLAB程序：clear,clfG=tf(6205,1 13 1281 0);figure(1);step(feedback(G,1);grid;其闭环极点：p = -4.0734 +34.9981i -4.0734 -34.9981i -4.8531 分析：特征方程的特征根

8、s都具有负实部，故闭环系统稳定。其中实数根输出表现为单调上升，复数根输出表现为震荡上升。对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在时，试采用微分反馈使系统的性能满足给定的设计指标。MATLAB程序：clear,clfka=100;for k1=0:0.01:0.05 %k1从0到0.05之间取值 s=tf(5000*ka,1 1020 20000+5000*ka*k1 5000*ka); figure(1); step(s),hold onendgrid;hold off如图所示：k1从0到0.05之间变化，随着k1的变大，系统调节时间越来越快，若取% 22

9、.5 时，根轨迹位于S左半平面，系统稳定。当0 K 22.5 时，根轨迹位于S右半平面，系统不稳定。4-5-(3）设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，要求:概略绘出的闭环根根轨迹图。MATLAB程序：clear,clfs1=zpk(,0 -1 -3.5 -3-2*j -3+2*j,1);figure(1);rlocus(s1);sgrid; 4-10设反馈控制系统中 ， 要求：（1）概略绘出系统根轨迹图，并判断闭环系统的稳定性；（2）如果改变反馈通道传递函数，是H(s)=1+2s，试判断H(s)改变后的系统稳定性，研究由于H(s)改变所产生的效应。在MATLAB环境下选择完成4-10，并对结

10、果进行分析。MATLAB程序：clear,clfG=zpk(,0,0,-2,-5,1);H=zpk(-0.5,2);figure(1);rlocus(G);hold onrlocus(G*H);sgrid;hold off分析：由图可以看出，当H(s)=1时，根轨迹恒有一部分在S右半平面，故系统不稳定。当H(s)=1+2s时，当0 K 45度如图所示：在单位斜坡输入下的稳态误差2-1.9430dB满足系统要求。如图所示：系统校正后在单位阶跃输入下的响应曲线稳定收敛，未校正前发散不稳定。此校正环节是串联的滞后校正环节，它可以压缩频宽，从而提高了系统的稳定裕量，适用于稳定精度要求较高或平稳要求严格

11、的系统。第七章 线性离散系统的分析与校正利用MATLAB完成7-20的最小拍系统设计及验证。7-20已知离散系统如图所示，其中采样周期T=1，连续部分传递函数试求当r（t）=1（t）时，系统无稳态误差，过渡过程在最少拍内结束的数字控制器D(z)。MATLAB程序：clear,clfG=zpk(,0 -1,1);Gd=c2d(G,1,zoh);z=tf(1 0,1,1);phi1=1-1/z;phi=1/z;D=phi/(phi1*Gd);figure(1);step(feedback(Gd*D,1);hold on;step(feedback(Gd,1);grid;分析：由图可看出该最小拍系统

12、经一拍时间达到稳态，使稳态误差为零。利用MATLAB完成7-25的控制器的设计及验证。7-25设连续的、未经采样的控制系统如图所示，其中被控对象要求：（1）设计滞后校正网络 使系统在单位阶跃输入时的超调量，且在单位斜坡输入时的稳态误差；（2）若为该系统配增一套采样器和零阶保持器，并选采样周期T=0.1s,试采变换方法，设计合适的数字控制器D(z)；（3）分别画出（1）及（2）中连续系统和离散系统的单位阶跃相应曲线，并比较两者结果；（4）另外选采样周期T=0.01s，重新完成（2）和（3）的工作；（5）对于（2）中得到的D（z），画出离散系统的单位斜坡响应，并与连续系统的单位斜坡响应进行比较。由

13、题意知：系统要求在单位阶跃输入时的超调量，且在单位斜坡输入时的稳态误差；则计算可得：K=150a=0.7b=0.4 通过计算： 单位阶跃响应曲线：MATLAB程序：clear,clfT=0.1;G=tf(150 105,1,10.1,151,105);Gd=tf(0.568,-0.1221,-0.3795,1,-1.79,1.6,-0.743,T);figure(1);step(G),hold onstep(Gd);grid;hold offT=0.1s时：T=0.01s时：单位斜坡响应：MATLAB程序：clear,clfT=0.1;G=tf(150 105,1,10.1,151,105);Gd=tf(0.568,-0.1221,-0.3795,1,-1.79,1.6,-0.743,T);figure(1);t=0:0.1:1;u=t;lsim(G,u,t,0),hold onlsim(Gd,u,t,0);grid;hold offT=0.1s时：T=0.01s时：分析：输入阶跃信号时，连续系统是稳定的，将其离散化后，部分信号丢失，出现大幅度的震荡，与连续系统的相比偏差很大，但随时间的增长，渐渐趋于稳定，稳定时与连续系统相同。当采样周期变短时丢失的信号会减少，系统性能会变的更好。