2016南京邮电大学自动控制原理上机报告

南京邮电大学 实验报告 2015 2016 学年第二学期 实验名称 一 控制系统的时域分析 二 线性系统的根轨迹研究 三 系统的频率响应与稳定性分析 四 连续系统串联校正 五 非线性实验 课程名称 自动控制原理 班级学号 B14011 姓名 飞不起来的胖子 实验一控制系统的时域分析 1 1 实验目的 实验目的 1 观察控制系统的时域响应 观察控制系统的时域响应 2 记录单位阶跃响应曲线 记录单位阶跃响应曲线 3 掌握时间响应分析的一般方法 掌握时间响应分析的一般方法 4 初步了解控制系统的调节过程 初步了解控制系统的调节过程 1 2 实验步骤 实验步骤 5 开机进入开机进入 Matlab2012 运行界面 运行界面 6 Matlab 指令窗 指令窗 Command Window 运行指令 运行指令 con sys 进入本次实验主界面 进入本次实验主界面 7 分别双击上图中的三个按键 依次完成实验内容 分别双击上图中的三个按键 依次完成实验内容 8 本次实验的相关本次实验的相关 Matlab 函数 函数 tf num den 可输入一传递函数 可输入一传递函数 step G t 在时间范围在时间范围 t 秒内 画出阶跃响应图 秒内 画出阶跃响应图 二 二 实验内容 实验内容 1 观察一阶系统观察一阶系统 G 1 T s 的时域响应 的时域响应 取不同的时间常数取不同的时间常数 T 分别观察该系统的脉冲响应 阶跃响应 斜坡响应以及单位加速度 分别观察该系统的脉冲响应 阶跃响应 斜坡响应以及单位加速度 响应 响应 脉冲响应脉冲响应 T 5s T 7s 阶跃响应阶跃响应 T 7s T 9s 斜坡响应斜坡响应 T 9s T 11s 单位加速度响应单位加速度响应 T 11s T 13s 2 二阶系统的时域性能分析 二阶系统的时域性能分析 1 调节时间滑块 使阶跃响应最终出现稳定值 调节时间滑块 使阶跃响应最终出现稳定值 2 结合系统的零极点图 观察自然频率与阻尼比对极点位置的影响 结合系统的零极点图 观察自然频率与阻尼比对极点位置的影响 自然频率越大 阻尼比越大 零极点之间的角度越小 自然频率越大 阻尼比越大 零极点之间的角度越小 3 结合时域响应图 观察自然频率与阻尼比对阶跃响应的影响 结合时域响应图 观察自然频率与阻尼比对阶跃响应的影响 自然频率越小 阻尼比越小 系统的阶跃响应幅值越大 自然频率越小 阻尼比越小 系统的阶跃响应幅值越大 4 调节自然频率与阻尼比 要求 调节自然频率与阻尼比 要求 Tr 0 56s Tp 1 29s Ts 5 46 超调不大于超调不大于 5 记录下满足上述要求的自然频率与阻尼比 记录下满足上述要求的自然频率与阻尼比 自然频率自然频率 6 624rad sec 阻尼比阻尼比 0 69058 自然频率自然频率 16 9538rad sec 阻尼比阻尼比 0 73578 3 结合结合 自动控制原理自动控制原理 一书 一书 Page 135 题 题 3 10 分别观察比例分别观察比例 微分与测速微分与测速 反馈对二阶系统性能的改善 反馈对二阶系统性能的改善 1 按原始的调节参数输入 调节时间滑块 使阶跃响应最终出现稳定值 按原始的调节参数输入 调节时间滑块 使阶跃响应最终出现稳定值 2 采用不同的采用不同的 G 输入 观察各项性能指数 输入 观察各项性能指数 调节时间调节时间 Ts 7 4233s 上升时间上升时间 Tr 1 3711s 超调量超调量 Delt 39 5344 峰值时间峰值时间 Tp 2 3191s 调节时间调节时间 Ts 14 846s 上升时间上升时间 Tr 2 7423s 超调量超调量 Delt 39 5244 峰值时间峰值时间 Tp 4 6382s 3 分别取不同的分别取不同的 K3 观察比例 观察比例 微分控制对系统性能的改善 微分控制对系统性能的改善 比例比例 微分控制能有效改善系统性能使系统更快趋于稳定 微分控制能有效改善系统性能使系统更快趋于稳定 4 设置不同的 设置不同的 K4 观察测速反馈对系统性能的影响 观察测速反馈对系统性能的影响 测速反馈能有效改善系统性能使系统更快趋于稳定 测速反馈能有效改善系统性能使系统更快趋于稳定 5 调节各个参数 使系统阶跃响应满足 调节各个参数 使系统阶跃响应满足 上升时间上升时间 Tr 3 5s 超调量超调量 2 记录下此时各个参数数据 记录下此时各个参数数据 实验二实验二 线性系统的根轨迹研究 2 1实验目的实验目的 1 考察闭环系统根轨迹的一般形成规律 考察闭环系统根轨迹的一般形成规律 2 观察和理解引进零极点对闭环根轨迹的影响 观察和理解引进零极点对闭环根轨迹的影响 3 观察 理解根轨迹与系统时域响应之间的联系 观察 理解根轨迹与系统时域响应之间的联系 4 初步掌握利用产生根轨迹的基本指令和方法 初步掌握利用产生根轨迹的基本指令和方法 2 2实验内容实验内容 根轨迹绘制的指令法 交互界面法 复平面极点分布根轨迹绘制的指令法 交互界面法 复平面极点分布 和系统响应的关系 和系统响应的关系 已知单位负反馈系统的开环传递函数为已知单位负反馈系统的开环传递函数为 实验要求 实验要求 2 54 2 2 ss sK sG 1 试用试用 MATLAB 的的 rlocus 指令 绘制闭环系统根轨迹 指令 绘制闭环系统根轨迹 要求写出指令 并绘出图 要求写出指令 并绘出图 形 形 指令 指令 G tf 1 2 1 8 26 40 25 rlocus G 2 利用利用 MATLAB 的的 rlocfind 指令 确定根轨迹的分离点 根轨迹与虚轴的交指令 确定根轨迹的分离点 根轨迹与虚轴的交 点 点 要求写出指令 并给出结果 要求写出指令 并给出结果 指令 指令 rlocfind G 分离点 分离点 2 0095 1 0186i K 0 0017 与虚轴的交点 与虚轴的交点 0 0000 3 6025i K 65 8411 3 利用利用 MATLAB 的的 rlocfind 指令指令 求出系统临界稳定增益求出系统临界稳定增益 并用指令验证系统的稳定并用指令验证系统的稳定 性 性 系统临界稳定增益 系统临界稳定增益 65 8411 由于系统无右半平面的开环极点 且奈奎斯特曲线不包围 由于系统无右半平面的开环极点 且奈奎斯特曲线不包围 1 j0 点 系统稳定 点 系统稳定 4 利用利用 SISOTOOL 交互界面 获取和记录根轨迹分离点 根轨迹与虚轴的交点处的交互界面 获取和记录根轨迹分离点 根轨迹与虚轴的交点处的 关键参数 并与前面所得的结果进行校对验证 关键参数 并与前面所得的结果进行校对验证 要求写出记录值 并给出说明 要求写出记录值 并给出说明 指令 指令 SISOTOOL G 原值 原值 K 0 00017 校正值 校正值 K 0 原值 原值 K 65 8411 校正值 校正值 K 71 8 5 在在 SISOTOOL 界面上 打开闭环的阶跃响应界面 然后用鼠标使闭环极点 小红界面上 打开闭环的阶跃响应界面 然后用鼠标使闭环极点 小红 方块 从开环极点开始沿根轨迹不断移动 在观察三个闭环极点运动趋向的同时 方块 从开环极点开始沿根轨迹不断移动 在观察三个闭环极点运动趋向的同时 注意观察系统阶跃响应的变化 根据观察 注意观察系统阶跃响应的变化 根据观察 A 写出响应中出现衰减振荡分量时 写出响应中出现衰减振荡分量时 的的 K 的取值范围 的取值范围 B 写出该响应曲线呈现 写出该响应曲线呈现 欠阻尼欠阻尼 振荡型时的振荡型时的 K 的取值范的取值范 围 围 A A 0 K 71 80 K 71 8 B B 0 K 71 80 K 71 8 6 6 添加零点或极点对系统性能的影响 以二阶系统为例开环传递函数添加零点或极点对系统性能的影响 以二阶系统为例开环传递函数 6 0 1 2 ss sG 添加零点 增加系统阻尼数 超调量减小 在添加零点 增加系统阻尼数 超调量减小 在 sisotoolsisotool 界面上做仿真 写出未添加界面上做仿真 写出未添加 零点时系统的超调量 峰值 调节时间 添加零点后系统的超调量 峰值 调节时零点时系统的超调量 峰值 调节时间 添加零点后系统的超调量 峰值 调节时 间 并写出系统添加零点的数值 并进行理论分析 间 并写出系统添加零点的数值 并进行理论分析 选做选做 指令 指令 G tf 1 1 0 6 0 添加零点添加零点 s 0 417 实验三系统的频率响应和稳定性 研究 2 3实验目的 5 绘制并观察典型开环系统的 Nyquist 围线 6 绘制并观察典型开环系统的 Bode 图 7 运用 Nyquist 准则判断闭环系统的稳定性 8 初步掌握相关 MATLAB 指令的使用方法 2 4预习要求 1 开环 Nyquist 曲线 Bode 图的基本成图规律 2 典型开环系统 Nyquist 围线的成图规律 3 Nyquisi 原理和使用要领 4 阅读和了解相关的 MATLAB 指令 2 5实验内容 一 必做内容 使用 sisotool 交互界面研究典型开 环系统的频率特性曲线 并进行闭环系统稳定性 讨论 以下各小题的要求 A 根据所给开环传递函数的结构形式 绘制相应的幅相频率曲线和对 数幅相频率曲线 B 显示出曲线对应的开环传递函数具体表达式 C 假如 MATLAB 指令绘制的幅相频率曲线不封闭 或用文字说明所缺 部分曲线的走向 或在图上加以添加所缺曲线 曲线与 1 0 点的几 何关系应足够清晰 能支持判断结论的导出 D 对该开环函数构成的单位负反馈系统的稳定性作出判断 说明理 由 假如闭环不稳定 则应指出不稳定极点的数目 7 其中 K T1 T2 可取大于 0 的任意数 1 1 21 1 sTsT K G 取 K 1 T1 1 T2 2 指令如下 G tf 1 2 3 1 Transfer function 1 2 s 2 3 s 1 margin G nyquist G P 0 R 0 Z 0 系统稳定 8 其中 K T1 T2 T3 可取大于 0 的任意 1 1 1 321 2 sTsTsT K G 取 K 1 T1 1 T2 2 T3 3 指令如下 G tf 1 6 11 6 1 Transfer function 1 6 s 3 11 s 2 6 s 1 margin G nyquist G P 0 R 0 Z 0 系统稳定 9 其中 K T1 可取大于 0 的任意数 1 1 4 sTs K G 取 K 1 T1 1 指令如下 G tf 1 1 1 0 Transfer function 1 s 2 s margin G nyquist G P 0 R 0 Z 0 系统稳定 10 其中 K T1 T2 可取大于 0 的任意数 1 1 21 5 sTsTs K G 取 K 1 T1 1 T2 2 指令如下 G tf 1 2 3 1 0 Transfer function 1 2 s 3 3 s 2 s margin G nyquist G P 0 R 0 Z 0 系统稳定 11 其中 K 可取大于 0 的任意数 1 1 1 21 6 sTsTs sTK G a K 1 Ta 1 T1 1 T2 2 指令如下 G tf 1 1 2 3 1 0 Transfer function s 1 2 s 3 3 s 2 s margin G nyquist G P 0 R 0 Z 0 系统稳定 12 其中 K T1 可取大于 0 的任意数 1 1 2 7 sTs K G K 1 T1 1 指令如下 G tf 1 1 1 0 0 Transfer function 1 s 3 s 2 margin G nyquist G 临界稳定 13 其中 K 可取大于 0 的任意数 1 1 2 8 1 1 TT sTs sTK G a a K 1 Ta 2 T1 1 指令如下 G tf 2 1 1 1 0 0 Transfer function 2 s 1 s 3 s 2 margin G nyquist G 临界稳定 14 其中 K 可取大于 0 的任意数 1 1 2 9 1 1 TT sTs sTK G a a K 1 Ta 1 T1 2 指令如下 G tf 1 1 2 1 0 0 Transfer function s 1 2 s 3 s 2 margin G nyquist G 临界稳定 实验四 连续系统串联校正 一 实验目的 1 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用 2 对给定系统进行串联校正设计 并通过模拟实验检验设计的正确性 二 实验仪器 1 EL AT III 型自动控制系统实验箱一台 2 计算机一台 三 实验内容 1 串联超前校正 1 系统模拟电路图如图 5 1 图中开关 S 断开对应未校情况 接通对应超前校正 图图 5 15 1 超前校正电路图超前校正电路图 2 系统结构图如图 5 2 图图 5 25 2 超前校正系统结构图超前校正系统结构图 图中 Gc1 s 2 2 0 055s 1 Gc2 s 0 005s 1 2 串联滞后校正 1 模拟电路图如图 5 3 开关 s 断开对应未校状态 接通对应滞后校正 图图 5 35 3 滞后校正模拟电路图滞后校正模拟电路图 2 系统结构图示如图 5 4 图图 5 45 4 滞后系统结构图滞后系统结构图 图中 Gc1 s 10 10 s 1 Gc2 s 11s 1 四 实验步骤四 实验步骤 1 启动计算机 在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件 2 测试计算机与实验箱的通信是否正常 通信正常继续 如通信不正常查找原因使通信 正常后才可以继续进行实验 超前校正 超前校正 3 连接被测量典型环节的模拟电路 图 5 1 电路的输入 U1 接 A D D A 卡的 DA1 输 出 电路的输出 U2 接 A D D A 卡的 AD1 输入 将将纯积分电容两端连在模拟开关 上 检查无误后接通电源 4 开关 s 放在断开位置 5 在实验项目的下拉列表中选择实验五 五 连续系统串联校正 鼠标单击按钮 弹出实验课题参数设置对话框 在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单 击确认等待屏幕的显示区显示实验结果 并记录超调量 p 和调节时间 ts 6 开关 s 接通 重复步骤 5 将两次所测的波形进行比较 并将测量结果记入下表中 超前校正系统 指标 校正前校正后 阶跃响应曲线见图 1 1见图 1 2 66 419 1 Tp 秒 0 1960 142 Ts 秒 1 0460 959 滞后校正 滞后校正 7 连接被测量典型环节的模拟电路 图 5 3 电路的输入 U1 接 A D D A 卡的 DA1 输 出 电路的输出 U2 接 A D D A 卡的 AD1 输入 将纯积分电容两端连在模拟开关上 检查无误后接通电源 8 开关 s 放在断开位置 9 在实验项目的下拉列表中选择实验五 五 连续系统串联校正 鼠标单击按钮 弹出实验课题参数设置对话框 在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单 击确认等待屏幕的显示区显示实验结果 并记录超调量 p 和调节时间 ts 10 开关 s 接通 重复步骤 9 将两次所测的波形进行比较 并将测量结果记入下表中 滞后校正系统 指标 校正前校正后 阶跃响应曲线见图 2 1见图 2 2 77 225 4 Tp 秒 0 2220 367 Ts 秒 1 2390 951 图 1 1 图 1 2 图 2 1 图 2 2 实验五 非线性实验 一 实验目的 1 了解非线性环节的特性 2 掌握非线性环节的模拟结构 二 实验仪器 1 EL AT III 型自动控制系统实验箱一台 2 计算机一台 三 实验原理 1 非线性特性的测量方法 非线性特性的测量线路如图 10 1 所示 三角波发生器的输出 AD1 接至被测非线性环节 的输入端 而非线性环节的输出接至 AD DA 卡的采集输入端 DA1 这样运行软件 可以从 软件界面上看到输入和输出波形 图图 10 110 1 非线性特性的测量电路非线性特性的测量电路 2 三角波信号的产生 三角波信号如图 10 2 所示 是由软件编程后通过 D A 转换后从 DA1 端输出 是一个周 期从 5 到 5V 然后从 5V 到 5V 变化的波形 5V 5V 图图 10 210 2 三角波信号三角波信号 四 实验内容四 实验内