计算机控制技术试验学生版.doc

要求：所有实验所有步骤的仿真响应曲线图都应以“.bmp”或“.jpeg”格式命名保存（不要直接保存为matlab中的“mdl”模型文件或“flg”图形文件，因为不易于插入word文件），并记录对应的整定参数或系数建立以自己的学号和姓名命名的word文件，将四个实验中按步骤依次仿真运行的参数记录，并插入对应的响应曲线图，对并仿真结果分析将最终包含四个实验数据以及响应曲线图的word文档发送至，邮件名同样为“学号+姓名”注意事项：1. 仿真时间可通过simulation菜单下的simulation parameters命令进行修改，单位阶越信号的开始时间默认值为1，可修改为0；2. 示波器的显示可通过点击图标（autoscale）来调节；3. 搭建系统模块时一定要注意汇合点处各信号的符号；4. 实验四不要完全按照所给极点值和步骤做，应自行选择合适的极点进行配置，脉冲传递函数也可自行调整实验一系统动态特性分析 一.实验目的1.研究系统的特征参数对系统动态特性的影响；2.确定系统传递函数3.在matlab中仿真二.实验原理三.实验步骤1.在simulink中绘制如图1的结构框图；2.设置参数，得系统传递函数；3.仿真并在示波器中观察实验结果；4.改变和n的值，比较分析和n对系统性能的影响；图1四.实验记录将单调上升、收敛振荡、发散振荡的响应曲线图截图并以.bmp格式保存，并记录对应的和n五.实验结果原理图如图1.1：其中a+2 K1=2n，10K1=n2，T=1固定。（图1.1 原理图）1. 当a=0，K1=10时，即=1（临界阻尼），n=10时的响应曲线图1.2：（图1.2 响应曲线）2. 当a=-12，K1=10时，=0.4（欠阻尼），n=10时的响应曲线图1.3：（图1.3 响应曲线）3. 当a=12，K1=10时，=1.6（过阻尼），n=10时的响应曲线图1.4：（图1.4 响应曲线）4. 当a=0，K1=2.5时，即=1，n=5时的响应曲线图1.5：（图1.5 响应曲线）5. 当a=0，K1=22.5时，即=1，n=15时的响应曲线图1.6：（图1.6 响应曲线）由以上5种情况初略知道，在过阻尼和临界阻尼响应曲线中，临界阻尼响应具有最短的上升时间，响应速度最快；在欠阻尼（01）响应曲线中，具有超调量，超调量越大，上升时间越短。自然频率n越大，响应速度越快。实验二 离散系统串联校正一.实验目的1.通过实验掌握用频率分析法分析系统的动态特性；2.研究串联校正装置对系统的校正作用，学习调试参数的方法；3.在matlab中仿真；二.实验原理三.实验步骤超前校正1.新建例6.6simulink模型图2(a)，设置参数，在command窗口下用改变输入为阶跃信号，输出为示波器，观察阶跃响应曲线和根轨迹2.在command窗口下用命令c2d（注意设置采样时间）将被控对象离散化，得到被控对象脉冲传递函数G(z)3.加入超前校正器 ,得到图2(b)模型，改变控制器极点和增益，观察阶跃响应曲线和根轨迹的变化图2 （注：方框中的num和den是选择传递函数模型，将参数设置好后在matlab中的自动简化形式，不是直接输入“num(z)”和“den(z)”）迟后校正1.新建例6.5simulink模型图3(a)，设置参数，观察阶跃响应曲线2.加入迟后校正器 ，得到图3(b)模型，改变放大系数，观察阶跃响应曲线的变化根轨迹绘制：rlocus(sys)A,B,C,D=dlinmod(模型名）sys=ss(A,B,C,D)（a）(b)图3 四.实验结果（1）超前校正（原理图如实验步骤）1. 阶跃响应曲线图2.1和根轨迹图2.2如下： （图2.1 阶跃响应曲线） （图2.2 根轨迹）2. 离散化后得到被控对象脉冲传递函数G(z)结果如下：Transfer function:0.004837 z + 0.004679-z2 - 1.905 z + 0.9048 Sampling time: 0.13. 加入超前校正器后的阶跃响应曲线图2.3和根轨迹图形图2.4如下： （图2.3 校正后的响应曲线） （图2.4 校正后的根轨迹）（2）滞后校正（原理图如实验步骤）1. 阶跃响应曲线图2.5，其中取poles（z）=z（z-0.5）（图2.5 阶跃响应曲线）2. 加入迟后校正器后阶跃响应曲线：a.放大系数为0.245，如图2.6。（图2.6放大系数为0.245的阶跃响应曲线）b. 放大系数为0.8，如图2.7（图2.6放大系数为0.8的阶跃响应曲线）c. 放大系数为0.1（图2.6放大系数为0.1的阶跃响应曲线）由上述结果可知，加入的滞后校正中，放大系数越大，系统响应曲线接近终值的时间就越短。实验三 数字PID控制器的设计一.实验目的1.研究PID控制器的参数对系统稳定性和过渡过程的影响2.研究采样周期T对系统特性的影响3.在matlab中对系统进行仿真二.实验原理三.实验步骤1.在matlab中新建文档，原系统的开环传递函数：绘制如图1的原系统框图图1 原系统结构图2.给入阶跃信号，开始仿真，双击示波器观察仿真结果，绘制阶跃响应曲线，记录调节时间和超调量3.如图2为PID控制器图2 PID控制器得到如图3的模型图图3 加入控制器后的系统.放大环节中的kp（ki、kd）为自己选择的某一个实数，如设置初始值kp=4（ki=0、kd=0）不是直接输入字母kp（ki、kd）4.修改kp（ki、kd），按照如下步骤观察不同参数值下系统阶跃响应曲线的变化，当系统具有较理想的阶跃响应时，绘制阶跃响应曲线，并记录各参数值和时域性能指标a. Ki=0、Kd=0时，改变Kp的值；b. 固定Kp，Kd=0，改变Ki的值；c. 固定Kp、Ki的值，改变Kd的值；5.保持参数值不变，修改采样时间，观察系统阶跃响应曲线的变化，并记录四实验结果1. 原理图如实验步骤图1，其阶跃响应曲线图3.1如下，右图3.2为曲线终值在0.950.98之间对应的时间值范围。 （图3.1阶跃响应曲线） （图3.2阶跃响应曲线放大图）从上图可知：系统的调节时间大约为3.6s左右，超调量为0。2.原理图如图3：a. Ki=0、Kd=0时，改变Kp的值；Kp=3时系统开始具有较理想的阶跃响应，如图3.3：（图3.3 Kp=3时系统开始具有较理想的阶跃响应）若继续增大Kp的值，Kp值从4开始具有超调量，而且Kp越大，超调量越大。b. 固定Kp，Kd=0，改变Ki的值；固定Kp=3。Ki=0.1时系统开始具有较理想的阶跃响应，如图3.4：（图3.4 Ki=0.1时系统开始具有较理想的阶跃响应）当Ki的值大于0.1时，响应曲线开始具有超调量，且Ki越大，超调量越大，响应时间也越大。c. 固定Kp、Ki的值，改变Kd的值；固定Kp=3、Ki=0.1。Kd=0.1时系统开始具有较理想的阶跃响应，如图3.5：（图3.5 Kd=0.1时系统开始具有较理想的阶跃响应）当Kd大于0.1时，系统响应曲线开始具有超调量，且Kd越大，超调量越大，响应时间也越大。3.选定Kp=3，Kd=0.1，Ki=0.1。如图3.6所示改变示波器参数Sample time的值即可。（图3.6示波器采样时间修改）取采样时间为0.01s，响应曲线如图3.7：（图3.7采样时间为0.01s阶跃响应曲线）取采样时间为0.1s，响应曲线如图3.8：（图3.8采样时间为0.1s阶跃响应曲线）取采样时间为0.5s，响应曲线如图3.9：（图3.9采样时间为0.5s阶跃响应曲线）取采样时间为1s，响应曲线如图3.10：（图3.10采样时间为1s阶跃响应曲线）由此可知，采样时间越小，曲线愈逼真，就更容易看出曲线的变化趋势及响应特征。实验四 状态反馈与状态观测器实验一.实验目的1.研究现代控制理论中用状态反馈配置极点的方法2.在matlab中仿真二.实验原理三.实验步骤1.根据被控对象的传递函数建立模型图4和状态结构图5，观察系统阶跃响应曲线图4 被控对象结构图2.通过调用命令A,B,C,D=tf2ss(100,1,-1,0.16)得到系统的状态空间模型动态方程，记录A，B，C，D，建立状态结构图5（增益2的为0.16）图5系统状态结构图3.仿真得到未进行极点配置前的阶跃响应曲线如图6，观察其响应，记录时域指标开环 闭环图6 原系统的阶跃响应曲线4.如果希望将极点配置在P=z1 z2，调用函数K=place(A,B,P)，求得状态反馈矩阵K=K1 K2。如z1=0.6+j0.4,z2=0.6-j0.4，则可得K1=-0.2，K2=0.365.可通过状态反馈矩阵得到极点配置后的系统状态图7（上面部分为状态反馈，增益3为0.36，增益4为0.2，下面部分为被控对象不变）；图7 加入状态反馈后的系统状态结构图6.仿真后可得极点配置后的阶跃响应曲线图8，记录时域指标图8 加入极点配置后的阶跃响应曲线7.修改期望配置的极点值，重复上述步骤进行仿真。四实验结果接实验步骤3后再进行仿真。如下图4.1参数配置：（图4.1参数配置）期望配置的极点值z1=0.7+j0