自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告.doc

兰州理工大学自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告学院：电气工程与信息工程学院专业班级： 13级自动化3班 姓名： 学号： 时间： 2015年12月 第3章 线性系统的时域分析法1、 教材第三章习题3.5设单位反馈系统的开环传递函数为G(s)=(1)试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。(2)忽略闭环零点的系统在单位阶跃输入下的动态性能。(3)对(1) 和(2)的动态性能进行比较并分析仿真结果。(1)A:程序如下。B:系统响应曲线如下图。 （2）A:程序如下。 B:系统响应曲线如下图。 (3) A:程序如下。B响应曲线如下图。 分析：忽略闭环零点时，系统的峰值时间，调节时间，上升时间均为增大的，而超调量减小。由此可知，对于一个稳定的系统，当忽略其闭环零点时，系统仍然是稳定的，但其系统的峰值时间，调节时间，上升时间均增大，而超调量减小，所以该系统的稳定性变好了，而动态性能变差了。因此应该适当的调节，使得系统的响应时间和超调量在一定程度上达到平衡，满足设计需要。2、 教材第三章习题3.9设控制系统如图所示，要求：(1) 取 计算测速反馈校正系统的超调量、调节时间和速度误差；(2) 取 计算比例-微分校正系统的超调量、调节时间和速度误差。(1) A程序如下：B系统响应曲线如下图：(2)系统响应曲线如下：分析：(1) 测速反馈校正系统的超调量、调节时间和速度误差峰值时间： 超调量： 调节时间：(2) 比例-微分校正系统的超调量、调节时和速度误差。峰值时间： 超调量： 调节时间：3、 教材第三章习题3.30火星自主漫游车的导向控制系统结构图如图所示，该系统在漫游车的前后部都装有一个导向轮，其反馈通道传递函数为要求：(1)确定使系统稳定的 值范围；(2)当 为该系的一个闭环特征根时使计算 的取值，并计算另外两个闭环特征根；(3) 应用(2)求出的 值确定系统的单位阶跃响应。(1.1)程序如下： (1.2)单位阶跃响应曲线如下： 分析：从图中可以看出此系统的峰值时间远远大于调节时间，而且其超调量为零，说明此系统是稳定的。4、 英文讲义3.3(1.1)A1 Simulink 接线图如下： A2 程序如下。(1.2)零极点分布及响应曲线如下。分析：特征方程的特征根s都具有负实部，故闭环系统稳定。其中实数根表现为单调上升，复数根输出表现为振荡上升。5、 英文讲义“Disk Read System”(1.1)A1 Simulink 接线图如下： A2 程序如下。(1.2)系统响应曲线如下：分析：添加微分反馈后系统的扰动减小，自然频率不变，阻尼比变大，由欠阻尼变为过阻尼，是上升时间变大，超调量和调节时间变小，动态性能变好。但闭环增益减小，加大了系统的稳态误差。第4章 线性系统的根轨迹法1、 教材第四章习题4.5(1.1)程序如下：(1.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下：(2.1)程序如下： (2.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下：(3.1)程序如下：(3.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下：2、 教材第四章习题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) 如果改变反馈通路传递函数，使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。(1.1)程序如下： (1.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下： (2.1)程序如下：(2.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下：分析：由于H(s)从1改变到1+2s，使系统增加了一个负实零点，迫使系统根轨迹向s左半平面弯曲，从而改善了系统的稳定性。3、 教材第四章习题4.17设控制系统如图所示，其中为改善系统性能而加入的校正装置。若可以从三种传递函数中任选一种，你选择哪一种？为什么？(1.1)程序如下：(2.1)三种校正装置的根轨迹如下： 分析：此系统的超调量为4.12，而峰值为1.04.又由根轨迹图得，有负实根，所以系统趋于稳定。4、 教材第四章习题4.23图示是V-22鱼鹰型倾斜旋翼飞机示意图。V-22既是一种普通飞机，又是一种直升机。当飞机起飞和着陆时，其发动机位置可以如图示那样，使V-22像直升飞机那样垂直起降；而在起飞后，它有可以将发动机旋转90，切换到水平位置，像普通飞机一样飞行。在直升机模式下，飞机的高度控制系统如图所示。要求：(1)概略绘出当控制器增益变化时的系统根轨迹图，确定使系统稳定的值范围；(2)当取时，求系统对单位阶跃输入r(t)=1(t)的实际输出h(t)，并确定系统的超调量和调节时间(=2%)；(3)当r(t)=0，求系统对单位扰动的输出(4)若在R(s)和第一个比较点之间增加一个前置滤波器试重解问题(2)。(1.1)程序如下：(1.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下： 分析：此系统为二阶振荡衰减系统，阻尼比大于1，系统是稳定的，当时间趋于无穷时，稳态误差为零，即系统输出可以跟踪输入。 第5章 线性系统的频域分析法1、 教材第五章习题5.6A 程序如下B 频域特性曲线二、 5-24绘制下列各函数的对数幅频渐进特性曲线，确定截止戒指频率Wc和相角裕度。 程序如下； （1）G(s)=2/（(2s+1)(8s+1)的开环对数频率特性分析：由图可知：剪切频率为0.196rad/s,相角裕度为101度。（2）G(s)=200/（s2(s+1)(10s+1)）的开环对数频率特性分析：由图可知：剪切频率为2.06rad/s,相角裕度为-151度。（3）G(s)=8(s/0.1+1)/(s(s2+s+1)(s/2+1) 的开环对数频率特性分析：由图可知：剪切频率5.34rad/s,相角裕度为-59.6度。（4）G(s)=10(s2/400+s/10+1)/(s(s+1)(s/0.1+1)的开环对数频率特性分析：由图可知：剪切频率为0.867rad/s,相角裕度为-29.4度。第6章 线性系统的校正一、教材第六章习题6.1设有单位反馈的火炮指挥仪伺服控制系统，其开环传递函数为：若要求系统最大输出速度为12/s，输出位置的容许误差小于2，试求：(1)确定满足上述指标的最小K值，计算K值下系统的相角裕度和幅值裕度；(2) 在前向通路中串接超前校正网络计算校正后系统的相角裕度和幅值裕度，说明超前校正对系统动态性能的影响。(1.1)程序如下： (1.2)校正前、校正后波特图如下： (1.3)校正前、校正后响应曲线如下： 分析：由上图及表格可以看出，串联超前校正可以增加相角裕度，从而减少超调量，提高系统的稳定性，增大截止频率，从而缩短调节时间，提高快速性。2、 教材第六章习题6.22(1.1)程序如下： (1.2)波形如下。(1.3)校正前、校正后响应曲线如下：三、英文讲义“Disk Read System”(1.1)程序如下： (1.2)无前置滤波器时系统响应曲线如图： (1.3)单位阶跃输入响应曲线和单位阶跃扰动响应曲线如下： 分析：有三个图进行比较得：无前置滤波器时单位阶跃输入响应图表明，闭环零点可以提升系统的上升时间，但恶化了系统的超调量；而有前置滤波器时系统的单位阶跃时间相应，表明其动态性能大为改善，超调量为0.1%，调节时间为40ms,在前置滤波器的单位阶跃扰动响应图，表明能有效抑制扰动的影响，最大扰动影响值为0.00069，从而满足全部设计要求。第7章 线性离散系统的分析与校正1、 教材第七章习题7.19窗体顶端已知离散系统如下图所示，其中采样周期T=1s，连续部分传递函数为试求当r(t)=1(t)时，系统的无稳态误差、过渡过程在最少拍内结束的数字控制器D(z)。(1)程序如图：窗体底端 (2)系统响应曲线如图：分析：系统的单位阶跃响应如图所示，可见该系统为一拍系统。二、教材第七章习题7.24(1)单位阶跃时间T=0.1s。(1.1)程序如图： (1.2)系统响应曲线如图：分析：由图可以看出：T=0.1s，系统连续时，超调量为31%，峰值时间为0.28s,调节时间为1s;系统离散时，超调量为78%，峰值时间为0.3s,调节时间为3.1s连续系统离散化后，阶跃响应动态性能会恶化，且输出有纹波。(2)单位阶跃时间T=0.01s。(2.1)程序如图：(2.2)系统响应曲线如图：分析：可得连续系统和T=0.01时离散系统的单位阶跃响应可知：当采样周期较小时，实现表示的连续系统与虚线表示的离散系统响应比较接近，表明离散化后动态性能的损失较小