西工大控制工程基础实验指导书Word文档下载推荐.docx

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一、实验目的

1.掌握使用MATLAB工具进行控制系统仿真分析；

2.掌握使用MATLAB工具进行控制系统综合与校正。

二、实验装置及用具

CAD实验室的PC计算机已经安装了MATLAB6.5，在计算机上进行控制系统仿真实验。

三、实验内容

3.1一阶系统的仿真

图1一阶系统

（1）推导并写出图1所示的一阶系统的传递函数Uc（s）/Ur（s）,图中，R4=R5=20KΩ，R3=1MΩ，C=1μF，R1=20KΩ，而R2有三种选择，即①R2=20KΩ；

②R2=200KΩ；

③R2=2KΩ。

（2）利用MATLAB仿真，画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线，系统的频率特性（BODE图和乃氏图），说明物理系统的线性区（运算放大器电源电压为±

15V）。

3.2二阶系统的仿真

（1）推导并写出图2所示的二阶系统的传递函数Uc（s）/Ur（s），说明选取不同的R5会有不同的阻尼比ξ。

图中，R1=1MΩ，C=0.1μF，R3=100KΩ，R4=100KΩ，而R5有三种选择，即①R5=40KΩ；

②R5=100KΩ；

③R5=140KΩ。

图2二阶系统

（2）利用MATLAB仿真，画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线；

利用MATLAB仿真，画出不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode图和乃氏图），根据这个Bode图，分析二阶系统的主要动态特性（MP,ts）。

3.3三阶系统的稳定性研究

（1）图3是由三个时间常数一致的惯性环节组成的三阶系统，试推导其闭环传递函数Uc（s）/Ur（s），说明开环增益K为8时系统处于临界稳定；

图中，R3=200K，C=0.1μF，R1=50KΩ，RX是470KΩ的电位计，可调节第二个运算放大器的放大倍数，从0.38变化到4。

整个系统的开环增益可从1.5变化到16。

图3三阶0型系统

（2）利用MATLAB画出图3系统不同增益下的Bode图，分析该系统的稳定性；

（3）给定三阶I型系统如图4所示，试推导其闭环传递函数，说明开环增益KV为何值时系统临界稳定，这时其剪切频率ωc为何值？

图中：

C1=C3=0.1μF，C2=1μF，R4=30KΩ，R1=R3=R5=100KΩ，R2=1MΩ，RX=1MΩ是可调电位计，用以调节系统的开环增益KV。

（4）利用MATLAB画出图4系统临界稳定时的Bode图，分析此时的系统开环增益值KV和剪切频率值。

求出KV最大和最小时的相角裕量γ。

图4三阶I型系统

3.4控制系统的校正

（1）单位反馈的控制系统开环传递函数为：

校正装置的传递函数为：

请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。

（2）单位反馈的控制系统开环传递函数为：

加入PD校正，其传递函数为：

实验报告

年月日

课程名称

控制工程基础

实验名称

MATLAB仿真实验

班级

姓名

学号

成绩

教

师

评

语

指导教师：

（1）传递函数表达式：

（2）

1）Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线

2）系统的频率特性（BODE图和乃氏图）

3）物理系统的线性区

（1）二阶系统的传递函数

1）画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线；

2）不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode图和乃氏图）；

3）试分析二阶系统的主要动态特性（MP,ts）。

（1）推导其闭环传递函数，试说明开环增益K为8时系统处于临界稳定

（2）利用MATLAB画出图3系统不同增益下的Bode图，分析该系统的稳定性

（3）试推导图4其闭环传递函数，说明开环增益KV为何值时系统临界稳定，这时其剪切频率ωc为何值？

（4）MATLAB画出图4系统临界稳定时的Bode图，分析此时的系统开环增益值KV和剪切频率值。

（1）请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。

（2）请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。