计算机控制系统实验指导书(于).doc

测测控技控技术术与与仪仪器器专业专业 计计算机控制系算机控制系统统 课课程程实实 验验指指导书导书 自动控制工程系自动控制工程系 沈阳工程学院沈阳工程学院 目目 录录 实验一 基于 MATLAB 的典型环节模拟实验 .1 实验二 基于 MATLAB 控制系统瞬态响应和稳定性分析6 实验三 基于 MATLAB 控制系统频率响应分析 .10 实验四 基于 MATLAB 分析采样周期 T 对控制系统的影响 12 实验五 直流电机 PID 控制 .14 实验六 水箱液面控制实验 .16 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 1 实实验验一一 基基于于 MATLAB 的的典典型型环环节节模模拟拟实实验验 一、实验目的一、实验目的 1. 熟悉 MATLAB 中模拟仿真环境和 SIMULINK 软件包的使用； 2. 掌握控制系统的模型表示方法以及 Setp 函数的使用。 3. 根据典型环节中的各阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。 二、实验原理二、实验原理 1. 采用 MATLAB 中 Simlink 软件包来模拟各种典型环节，并在阶跃输入信 号观察其输出响应曲线。 2. 采用 Setp 函数，在 MATLAB 环境下绘制各种典型环节的单位阶跃响应 曲线。 setp 命令 格式：y,x=step(num,den,t) 三、实验内容三、实验内容 1. 运用 Simulink 软件包画出各种典型环节的模拟电路图，并画出各环节 在阶跃输入信号作用下的响应输出波形； 各环节的传递函数如下： （1） 比例环节：2)(1)( 21 sGsG和 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 2 （2） 积分环节： s sG s sG 5 . 0 1 )( 1 )( 21 和 （3） 比例积分环节： s sG s sG 1 1)( 5 . 0 1 2)( 21 和 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 3 （4） 惯性环节： 14 . 0 2 )( 1 1 )( 21 s sG s sG和 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 4 （5） 比例积分微分环节： s s sGs s sG 1 1)(2 5 . 0 1 2)( 21 和 2、采用 Setp 函数求取上述各典型环节的阶跃响应曲线，并绘制其对应的曲线。 num1=1 den1=1 step(num1,den1) hold on num2=2 step(num2,den1) den3=1,0 step(num1,den3) den4=0.5 0 step(num1,den4) 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 5 num5,den5=parallel(num2,den1,num1,den4) step(num5,den5) num6,den6=parallel(num1,den1,num1,den3) step(num6,den6) den7=1 1 step(num1,den7) den8=0.4 1 step(num2,den8) num9=2,0 num10,den10=parallel(num2,den1,num1,den4,num9,den1) step(num10,den10) num11=1 0 num12,den12=parallel(num1,den1,num2,den1,num10,den1) step(num12,den12) 四、实验思考题四、实验思考题 1.运算放大器模拟环节的传递函数是在什么情况下推导出来的？ 2.积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可近似为 积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？ 3.积分环节和惯性环节的时间常数，如何从阶跃响应的曲线中测出？ 五、实验报告要求五、实验报告要求 1.给出各个典型环节的传递函数。 2.给出各个典型环节的单位响应曲线。 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 6 实实验验二二 基基于于 matlab 控控制制系系统统瞬瞬态态响响应应和和稳稳定定性性分分析析 一、一、实验目的实验目的 1. 熟悉 MATLAB 中模拟仿真环境和 SIMULINK 软件包的使用； 2. 记录下不同开环增益时二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量 MP、 峰值时间 tP和调节时间 tS； 3. 通过增益的调整，观察系统输出波形，加深增益 K 变化对系统稳定性 的影响。 二、二、实验原理实验原理 1. 通过函数 Setp 对给定系统，在不同增益的情况下求取系统的阶跃响应 曲线，并根据时域性能指标的定义，从输出波形图上求取出超调量 MP、峰值时间 tP和调节时间 tS； setp 命令 格式：y,x=step(num,den,t) 2. 由闭环系统的稳定性的充分必要条件可知，闭环系统稳定其特征根应 当具备负实部的特点。当存在实部等于 0（纯虚根）的极点，系统为临 界稳定。 Roots 命令 格式：roots(d) 其中 d 为特征多项式的系数矩阵。 3. 在 Simulink 环境下，通过改变不同增益绘制出相对应的波形图，了解 增益 K 变化对稳定性的影响。 三、三、实验内容实验内容 1. 通过函数 Setp，求取传递函数增益 K 在 K Gs) 0.5s(0.2s 1) （ 10、5、2、1 时的四条响应曲线，并从响应曲线上求得超调量 MP、峰值 时间 tP和调节时间 tS figure(1) num1=20 den1=0.1 0.5 20 roots(den1) step(num1,den1) figure(2) num2=10 den2=0.1 0.5 10 roots(den2) step(num2,den2) figure(3) num3=5 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 7 den3=0.1 0.5 5 roots(den3) step(num3,den3) figure(4) num4=1 den4=0.1 0.5 1 roots(den4) step(num4,den4) figure(1) Mp=57%,tp=0.227,ts=1.18 figure(2) Mp=44%,tp=0.321,ts=1.12 figure(3) 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 8 Mp=30%,tp=0.486,ts=1.19 figure(4) Mp=2%,tp=1.02,ts=1.02 2. 通过 Roots 函数求得闭环传递函数特征根的方法，判断系统的稳定性。 -2.5000 +13.9194i -2.5000 -13.9194i K=10 时系统稳定 -2.5000 + 9.6825i -2.5000 - 9.6825i K=5 时系统稳定 -2.5000 + 6.6144i -2.5000 - 6.6144i K=1 时系统稳定 -2.5000 + 1.9365i -2.5000 - 1.9365i 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 9 四、实验报告要求四、实验报告要求 1编制程序实现上面程序。 2把得到的图形和结果拷贝在试验报告上(响应曲线请用虚线表示)。 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 10 实实验验三三 基基于于 MATLAB 控控制制系系统统频频率率响响应应分分析析 一、一、实验目的实验目的 掌握用 MATLAB 软件中 bode 图（幅频/相频特性曲线） 、nyquist 曲线、 margin 命令的使用。 二、二、实验原理实验原理 频域分析法是应用频率特性研究控制系统的一种经典方法。它主要包括三 种方法：bode 图（幅频/相频特性曲线） 、nyquist 曲线、nichols 图。 bode 命令命令 功能：绘制波特图。 格式：mag,phase,w=bode(num,den) mag,phase,w=bode(num,den,w) nyquist 命令命令 功能：绘制奈奎斯特图。 格式：re,im,w=nyquist(num,den) re,im,w=nyquist(num,den,w) nichols 命令命令 功能：绘制尼科尔斯图。 格式：M,P=nichols(num,den) margin 命令命令 功能：求幅值和相位裕量，以及幅值和相位交界频率。 格式：GM，PM，wcg，wcp=margin(M,P) 三、三、实验内容实验内容 1. 试绘制一单位反馈系统的开环传递函数为， )02. 01)(2 . 01 ( )( sss K sG K=10 时的伯德图。 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 11 num=10 den=conv(conv(0.2,1,0.02,1),1,0) tf(num,den) bode(num,den) grid margin(num,den) 2. 当 K=10 时系统的相位裕量和幅值裕量，并判断系统的稳定性。 相位裕量：37.7 度 幅值裕量-16。8db 系统稳定 四、实验报告要求四、实验报告要求 3编制程序实现上面程序。 4把得到的图形和结果拷贝在试验报告上(响应曲线请用虚线表示)。 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 12 实实验验四四 基基于于 MATLAB 分分析析采采样样周周期期 T 对对控控制制系系统统的的影影 响响 一、一、实验目的实验目的 让学生初步掌握 MATLAB 软件在离散控制系统分析和设计中的应用。 二、二、实验原理实验原理 1连续系统的离散化。 在 MATLAB 软件中，对连续系统的离散化主要是利用函数 c2dm( )函数来 实现的，c2dm( )函数的一般格式为 C2dm( num, den, T, method)，可以通过 MATLAB 的帮助文件进行查询。 其中： Num：传递函数分子多项式系数； Den：传递函数分母多项式系数； T：采样周期； Method：转换方法； 允许用户采用的转换方法有：零阶保持器（ZOH）等五种。 三、三、实验内容实验内容 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 13 2求离散系统的相应： 在 MATLAB 中，求采样系统的响应可运用 dstep( )，dimpulse( )，dlsim( ) 来实现的。分别用于求取采样系统的阶跃，脉冲，零输入及任意输入时的响应， 其中 dstep( )的一般格式如下： dstep( num, den, n)，可以通过 MATLAB 的帮助文件进行查询。其中： Num：传递函数分子多项式系数； Den：传递函数分母多项式系数； N：采样点数； 四、实验报告要求四、实验报告要求 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 14 1编制程序实现上面两个程序。 2把得到的图形和结果拷贝在试验报告上。 3在第 1 个例子中，改变采样周期为 0.25，0.5 ，0.75，重新运行程序， 把结果和原来结果进行比较，并说明为什么？ 4在第 2 个例子中，改变采样点数为 70，重新运行程序，把结果和原来 结果进行比较，并说明为什么？ 实实验验五五 直直流流电电机机 PID 控控制制 一、实验目的一、实验目的 综合运用所学控制知识设计控制器，对直流电机转速控制模型进行控制， 达到快速调整直流电机转速的目的。 二、实验内容二、实验内容 直流电机转速控制模型是一个经典的控制理论教学模型，它具有物理模型 简单、概念清晰，便于用控制理论算法进行控制的特点。其力学模型如图2 所 示。 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 15 直流电机的模型参数如下： 转动惯量(J) = 0.01 kg.m2/s2 机械阻尼(b) = 0.1 Nms 电磁力常数(K) = 0.01 Nm/Amp 电阻(R) = 1 ohm 电感(L) = 0.5 H 输入电压(V) 输出转轴位置( ) 给电机输入一个阶跃电压控制号，得系统的开环转速响应信号如下： 电机转速上升速度过慢，上升时间过长。要求根据所学的控制理论知识， 设计出一个直流电机转速控制器，使其阶跃响应满足：上升时间 1 秒、过冲 量 10%、稳态误差2%。 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书 16 三、实验设备三、实验设备 1. 计算机1 台 2. DRLink 计算机控制平台1 套 四、实验步骤四、实验步骤 1. 运行DRLink主程序，点击DRLink 快捷工具条上的“联机注册“图标，选择其 中的“DRLink采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。 2.在DRLink 软件平台的地址信息栏中输入WEB 版实验指导书的地址，在实验 目录中选择“直流电机转速控制模型”，建立实验环境，如下图所示。设定PID 控制器的参数，观察不同参数时直流电机转速变化情况。 3. 对上面实验进行修改，直接观察其开环阶跃响应情况。 4. 用根轨迹法、Bode 图法等系统性能校正方法，设计其它控制器，观察它们 对直流电机转速控制性能的改进效果。 五、实验报告要求五、实验报告要求 1. 简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。 2. 按实验步骤附上相应的信号波形曲线，总结实验得出的主要结论。 实实