《计算机控制原理》实验报告.doc

键入文字基于Matlab/Simulink的控制系统仿真实验题目实验一 二阶系统闭环参数和对时域响应的影响如图1所示的典型二阶系统，其开环传递函数为，其中，无阻尼自然震荡角频率=1，为阻尼比，试绘制分别为0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5时，其单位负反馈系统的单位阶跃响应曲线（绘制在同一张图上）。图1 典型二阶系统方框图Matlab程序参考代码：wn=1;sigma=0,0.2,0.4,0.6,0.9,1.2,1.5;/*sigma的七组不同值*/num=wn*wn;/num表示分母t=linspace(0,20,200);/*在（0,20）上产生200个线性等分点。用法：linspace(x1,x2,N)功能：生成线性等分向量。linspace是Matlab中的均分计算指令，用于产生x1,x2之间的N点行线性的矢量。其中x1、x2、N分别为起始值、终止值、元素个数。若默认N，默认点数为100。*/for j=1:7den=conv(1,0,1,2*wn*sigma(j);/* den表示分母conv是线性卷积函数. Matlab提供了计算线性卷积和两个多项式相乘的函数conv，语法格式w=conv(u，v)，其中u和v分别是有限长度序列向量，w是u和v的卷积结果序列向量。 如果向量u和v的长度分别为N和M，则向量w的长度为N+M-1.如果向量u和v是两个多项式的系数，则w就是这两个多项式乘积的系数*/ s1=tf(num,den);/*tf函数是传递函数的意思，用s1保存其值*/sys=feedback(s1,1);/* feedback是matlab里专门用来求线性时不变系统的前向传递函数的. feedback(G,H),（G,H需事先设定）。其中G是传递函数，H为反馈函数，表示一个控制系统G，对其进行负反馈H（要求正反馈用-H）。*/y(:,j)=step(sys,t);/* 这是求系统在时间t内的单位阶跃响应。step(sys,t) sets the simulation horizon explicitly. You can specify either a final time t = Tfinal (in seconds), or a vector of evenly spaced time samples of the form t = 0:dt:TfinalFor discrete systems, the spacing dt should match the sample period. For continuous systems, dt becomes the sample time of the discretized simulation model (see Algorithm), so make sure to choose dt small enough to capture transient phenomena. */endplot(t,y(:,1:7);/* matlab中二维线画图函数 2、plot(x,y)若y和x为同维向量，则以x为横坐标,y为纵坐标绘制连线图。若x是向量，y是行数或列数与x长度相等的矩阵，则绘制多条不同色彩的连线图，x被作为这些曲线的共同横坐标。若x和y为同型矩阵，则以x,y对应元素分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵列数。*/grid;/*给坐标添加网格线*/gtext(sigma=0);/*gtext displays a text string in the current figure window after you select a location with the mouse. gtext(string) waits for you to press a mouse button or keyboard key while the pointer is within a figure window. Pressing a mouse button or any key places string on the plot at the selected location.鼠标选择当前位置时，会显示对应图形的字符串值。比如sigma=0*/gtext(sigma=0.2);gtext(sigma=0.4);gtext(sigma=0.6);gtext(sigma=0.9);gtext(sigma=1.2);gtext(sigma=1.5)要求：1. 从help菜单或其它方式，理解程序的每个语句和函数的含义；2.分析对时域响应的影响，观察典型二阶系统阻尼系数在一般工程系统中的选择范围；3. 制作PPT讲解程序、系统响应曲线、系统响应分析。实验二 开环参数K和T对系统动态性能及稳定性的影响对一般的二阶系统而言，其开环传递函数为，其中，K为回路增益，通常是可调节的，T为时间常数，通常由被控对象的特性决定，一般是不可以改变的。要求：1. 推到单位负反馈系统的闭环传递函数； 2. 对比二阶系统的典型传递函数，找出K、T与、的关系式； 3. 从2中的关系式中分析K、T与、的关系； 4. 实验参数设定T=1，试绘制K分别为0.1, 0.2， 0.5， 0.8， 1.0， 2.4时，其单位负反馈系统的单位阶跃曲线（绘制在同一张图上）； 5. 从help菜单或其它方式，制作PPT讲解程序的每个语句和函数的含义；6. 制作PPT分析系统响应曲线。Matlab程序参考代码：T=1;K=0.1,0.2,0.5,0.8,1.0,2.4;t=linspace(0,20,200)/*在（0,20）上产生200个线性等分点。*/num=1;/分子赋值为1den=conv(1,0,T,1);/*求线性卷积，并将值赋给分母den*/for j=1:6/循环 s1=tf(num*K(j),den);/求出传递函数 sys=feedback(s1,1);/ 求线性时不变系统的前向传递函数,并赋值给sysy(:,j)=step(sys,t);/ 求系统在时间t内的单位阶跃响应 end /循环结束plot(t,y(:,1:6); /做出对应的二维图形grid;/显示网格gtext(K=0.1);/单击图形时，在图形上显示对应的k值gtext(K=0.2);gtext(K=0.5);gtext(K=0.8);gtext(K=1.0);gtext(K=2.4)实验三 理解PID控制器对系统性能的影响，进行PID控制器的设计 对于如图2所示的负反馈控制系统，被控对象和反馈环节的传递函数如下： 图2 典型的负反馈控制系统方框图其中，（一） 比例控制P要求：1、对于比例系数为0.1, 2.0，2.4， 3.0， 3.5， 绘制系统的单位阶跃响应； 2、制作PPT分析比例系数对系统性能的影响； 3、制作PPT讲解程序代码。Matlab程序代码参考：G=tf(1,conv(conv(1,1,2,1),5,1);/求出传递函数，存入G中kp=0.1,2.0,2.4,3.0,3.5;/不同比例系数的值for i=1:5/循环 G=feedback(kp(i)*G,1);/ 求前向传递函数 step(G);/ 求取系统单位阶跃响应 hold on;/ 启动图形保持功能，当前坐标轴和图形都将保持，此后绘制的图形都将添加在这个图形的基础上，并且自动调整坐标轴的范围。end /循环结束gtext(kp=0.1);/单击图形是显示对应的kp值gtext(kp=2.0);gtext(kp=2.4);gtext(kp=3.0);gtext(kp=3.5)（二） 比例微分控制PD 要求：1、设置=2，微分时间常数=0， 0.3， 0.7， 1.5， 3，试在各个比例微分系数下，绘制系统的单位阶跃响应曲线； 2、制作PPT分析微分控制对系统性能的影响； 3、制作PPT解释和说明程序代码。Matlab程序代码参考：G=tf(1,conv(conv(1,1,2,1),5,1);/传递函数kp=2;tou=0,0.3,0.7,1.5,3;for i=1:5 G1=tf(kp*tou(i),kp,1);/求传递函数 sys=feedback(G1*G,1);/求前向传递函数 step(sys);/求系统单位阶跃响应 hold on;/启动图形保持功能endgtext(tou=0);/单击图形时显示对应的tou值gtext(tou=0.3);gtext(tou=0.7);gtext(tou=1.5);gtext(tou=3);（三） 比例积分控制PI， 其中，是比例系数，是积分时间常数，二者可调节。要求：1、设置比例=2，积分时间常数=3， 6， 14， 21， 28，试在各个比例积分系数下，绘制系统的单位阶跃响应曲线； 2、制作PPT分析积分控制对系统性能的影响； 3、制作PPT解释和说明程序代码。Matlab程序代码参考：G=tf(1,conv(conv(1,1,2,1),5,1);/求传递函数kp=2;ti=3,6.14,21.28;for i=1:5 G1=tf(kp,kp/ti(i),1,0);/ 求传递函数 sys=feedback(G1*G,1);/前向传递函数 step(sys);/系统单位阶跃响应 hold on;/启动图形保持功能endgtext(ti=3);/单击图形是显示ti的值gtext(ti=6);gtext(ti=14);gtext(ti=21);gtext(ti=28)实验四 确定使计算机控制系统稳定的开环增益范围如图3所示的离散线性系统，采样周期Ts=1s，其中，对象模型，零阶保持器。图3 离散线性系统方框图要求：1、写出开环系统的传递函数； 2、对开环传递函数进行Z变换，并代入Ts=1s； 3、写出闭环Z传递函数； 4、写出系统的特征方程； 5、绘制根轨迹，并分析根轨迹； 6、用鼠标单击根轨迹与单位圆的交点，发现; 7、分析系统稳定性随K值变化的规律； 8、近似得出系统稳定的K值范围。9 制作PPT，按上述要求讲解。Matlab程序代码提示：num=0.3678,0.2644;den=1,-1.3678,0.3678;sys=tf(num,den,-1);rlocus(sys)rlocfind(sys)成绩评定及注意事项：出席10%应用举例、实验讲解30%结课考试60%总计100分值1. 学生分成10组左右，每组组长一名；2. 应用举例：每位同学提交一份纸质作业和电子版PPT；3. 实验：每组提交一份纸质实验报告和一份电子版PPT演示稿、写明组员在实验内容上的分工，例如：软件安装与程序解析；原理分析及知识点分析；系统输出结果整理；报告撰写及PPT制作等等；4. 实验讲解：基于一份PPT演讲稿讲解；5. 讲解人选定方法：每组12位主讲人（有分工），每次讲解前，组内抽签决定本组主讲人，其他人补充；确保每位