2017兰州理工大学自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告完整版

兰州理工大学自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告院系电气工程与信息工程学院班级自动化一班姓名卢一发自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第1页学号1505220145时间2017年11月29日电气工程与信息工程学院自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验任务书（2017）一、仿真实验内容及要求1MATLAB软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB仿真集成环境SIMULINK的使用。2各章节实验内容及要求1）第三章线性系统的时域分析法对教材第三章习题35系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；对教材第三章习题39系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；在MATLAB环境下选择完成教材第三章习题330，并对结果进行分析；在MATLAB环境下完成英文讲义P153E33；对英文讲义中的循序渐进实例“DISKDRIVEREADSYSTEM”，在时，试采用10AK微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足5,等指标。3250,10SSTMD自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第2页2）第四章线性系统的根轨迹法在MATLAB环境下完成英文讲义P157E45；利用MATLAB绘制教材第四章习题45；在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题410及417，并对结果进行分析；在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题423，并对结果进行分析。3）第五章线性系统的频域分析法利用MATLAB绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章线性系统的校正利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；利用MATLAB完成教材第六章习题622控制器的设计及验证；对英文讲义中的循序渐进实例“DISKDRIVEREADSYSTEM”，试采用PD控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标。MSTS150,5）第七章线性离散系统的分析与校正利用MATLAB完成教材第七章习题719的最小拍系统设计及验证；利用MATLAB完成教材第七章习题724的控制器的设计及验证；对英文讲义中的循序渐进实例“DISKDRIVEREADSYSTEM”进行验证，计算DZ4000时系统的动态性能指标，并说明其原因。二、仿真实验时间安排及相关事宜1依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师应在第3学周下发仿真任务书，并按课程进度安排上机时间；学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时内完成仿真实验要求的内容；2实验完成后按规定完成相关的仿真实验报告；3仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订。自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第3页自动化系自动控制原理课程组2017年8月24日自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第4页2各章节实验内容及要求1）第三章线性系统的时域分析法对教材第三章习题35系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；单位反馈系统的开环传递函数为该系统的阶跃响应曲线如下图所示，6014SG其中虚线表示忽略闭环零点时，即的阶跃响应曲线。2解MATLAB程序如下NUM041DEN1060G1TFNUM,DENG21G3TF1,DENSYSFEEDBACKG1,G2,1SYS1FEEDBACKG3,G2,1PROOTSDENCT00115T000120FIGURE1自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第5页STEPSYS,R,SYS1,B,TGRIDXLABELTYLABELCTTITLE阶跃响应程序运行结果如下由图可以看出，闭环零点的存在可以在一定程度上减小系统的响应时间，但是同时也增大了超调量，所以，在选择系统的时候应该同时考虑减小响应时间和减小超调量。对教材第三章习题39系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；解由题意可得系统的闭环传递函数，其中当系统为测速反馈校正系统时的闭环传递函数为，系统为比例微分校正系统时的闭环传递函数为102S。SMATLAB程序如下G1TF10,110SYS2FEEDBACKG1,1,1G2TF010,1G3FEEDBACKG1,G2,1自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第6页G4SERIES1,G3SYSFEEDBACKG4,1,1G5TF010,1G61G7TF10,110G8PARALLELG5,G6G9SERIESG8,G7SYS1FEEDBACKG9,1,1DEN1210PROOTSDENT00017FIGURESTEPSYS,R,SYS1,B,SYS2,G,TGRIDXLABELTYLABELCTTITLE阶跃响应不同控制器下的单位阶跃响应曲线如下图所示自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第7页01234567002040608112141618一一一一TSECCT从两个系统动态性能的比较可知，测速校正控制器可以降低系统的峰值和超调量的上升时间；而比例微分控制器可以加快系统的上升时间和调节时间，但是会增加超调量，所以针对不同的系统要求应采用不同的控制器，使系统满足设计需求。在MATLAB环境下完成英文讲义P153E33；由题可知系统的开环传递函数为。12836502SSG求1确定系统的零极点；2在单位阶跃响应下分析系统的稳态性能；3试分析传递函数的实虚极点对响应曲线的影响。解MATLAB程序如下NUM6205DENCONV10,1131281GTFNUM,DENSYSFEEDBACKG,1,1FIGURE1PZMAPSYS自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第8页Z,K,PTF2ZPNUM,DENXLABELJYLABEL1TITLE零极点分布图GRIDT00015FIGURE2STEPSYS,TGRIDXLABELTYLABELCTTITLE阶跃响应1求得系统的零极点为ZEMPTYK0和65351959I和65351959IP62052该系统的单位阶跃响应曲线和零极点分布图如下0051152253354455002040608112阶跃响应TSECONDSCT自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第9页5432101403020100102030401520253035400012510150026004200620090130204001251000260042006200901302042025303540零极点分布图JSECONDS11SECONDS13分析特征方程的特征根都具有负实部，响应曲线单调上升，故闭环系统稳定，实数根输出表现为过阻尼单调上升，复数根输出表现为震荡上升。该系统的，峰值为1。由于闭环极点就是微分STR405STP12048方程的特征根，因此它们决定了所描述系统自由运动的模态，而且在零初始响应下也会包含这些自由运动的模态。也就是说，传递函数的极点可以受输入函数的激发，在输出响应中形成自由运动的模态。对英文讲义中的循序渐进实例“DISKDRIVEREADSYSTEM”，在时，试采用微分反10AK馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足等指标。5,320,510SSTMD解MATLAB程序如下G1TF5000,1,1000G2TF1,120GASERIES100,G1GBSERIESGA,G2自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第10页G3TF1,10GCSERIESGB,G3SYS1FEEDBACKGC,1T00011SYS2FEEDBACKGB,005SYS3SERIESSYS2,G3SYSFEEDBACKSYS3,1STEPSYS1,R,SYS,B,TGRIDXLABELTYLABELCTTITLEDISKDRIVEREADSYSTEM程序运行结果如下0010203040506070809100204060811214DISKDRIVEREADSYSTEMTSECONDSCT由图可知，添加微分反馈后系统扰动减小，自然频率不变，阻尼比变大，由欠阻尼变为过阻尼，使上升时间变大，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。2）第四章线性系统的根轨迹法在MATLAB环境下完成英文讲义P157E45；自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第11页已知一个控制系统的开环传递函数为，求1SGC1当时，画出系统的根轨迹图；KSGC2当画出系统根轨迹图，并确定系统稳定时的值。20SK解MATLAB程序如下GTF1,110FIGURE1RLOCUSGTITLE第一题的根轨迹图NUM12DEN120GCTFNUM,DENSYSSERIESGC,GFIGURE2RLOCUSSYSTITLE第二题的根轨迹图程序运行结果如下自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第12页020020406081120604020020406第一题的根轨迹图REALAXISSECONDS1IMAGINARYAXISSECONDS1252015105052520151050510152025第二题的根轨迹图REALAXISSECONDS1IMAGINARYAXISSECONDS1在第一小题的根轨迹图中可以看出，系统的闭环极点都位于S平面的右半平面，所以系统不稳定；在第二小题的根轨迹图中可以看出，系统的根轨迹图与虚轴有两个交点，对应的开环增益为，系统稳定。620利用MATLAB绘制教材第四章习题45；概略绘出的根轨迹图。23531JSJSSKG自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第13页解MATLAB程序如下GTF1,11054357954550RLOCUSGTITLE根轨迹图15105051015105051015根轨迹图REALAXISSECONDS1IMAGINARYAXISSECONDS1在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题410及417，并对结果进行分析；410设反馈控制系统中，要求1SH1概略绘出系统根轨迹图，并判断闭环系统稳定性；2如果改变反馈通路传递函数，使，试判断改变后的系统稳定性，研S2究由于的改变所产生的效应。SH解MATLAB程序如下当HS1NUM1DENCONV120,15GTFNUM,DENFIGURE1自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第14页RLOCUSGTITLE第一题根轨迹图当HS12SNUM121G1TFNUM1,DENFIGURE2RLOCUSG1TITLE第二题根轨迹图程序运行结果如下当时,根轨迹图如下1SH14121086420241086420246810一一一一一一一REALAXISIMAGINARYAXIS当时，根轨迹图如下SH自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第15页54543532521510506420246一一一一一一一REALAXISIMAGINARYAXIS当时系统无零点，系统临界稳定的增益为，此时系统的根轨迹与虚轴的1SH7交点为；时，系统加入一个一阶微分环节，此时无论增益如何变化，I83S2系统总处于稳定状态，也就是说给系统加入一个一阶微分环节能大幅度提高系统的稳定性。3）第五章线性系统的频域分析法利用MATLAB绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；58已知系统的开环传递函数为，画出系统的概1502SSHSG略频率特性曲线。解MATLAB程序文本如下NUM10DENCONV210,1051GTFNUM,DENFIGURE1MARGINGFIGURE2自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第16页NICHOLSGGRIDFIGURE3NYQUISTG程序运行结果如下15010050050100MAGNITUDEDB10210110010110236027018090PHASEDEGBODEDIAGRAMGM225DBAT0707RAD/SEC,PM136DEGAT162RAD/SECFREQUENCYRAD/SEC360315270225180135904501008060402002040606DB3DB1DB05DB025DB0DB1DB3DB6DB12DB20DB40DB60DB80DB100DBNICHOLSCHARTOPENLOOPPHASEDEGOPENLOOPGAINDB自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第17页252015105054003002001000100200300400NYQUISTDIAGRAMREALAXISIMAGINARYAXIS510已知开环传递函数，试该绘制系统的概略1391202SSHSG频率特性曲线。解MATLAB程序如下NUM11DENCONV0510,1/91/31GTFNUM,DENFIGURE1MARGINGFIGURE2NICHOLSGGRIDFIGURE3NYQUISTG自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第18页10050050MAGNITUDEDB1011001011022702251801359045PHASEDEGBODEDIAGRAMGM689DBAT34RAD/SEC,PM694DEGAT17RAD/SECFREQUENCYRAD/SEC3603152702251801359045010080604020020406DB3DB1DB05DB025DB0DB1DB3DB6DB12DB20DB40DB60DB80DB100DBNICHOLSCHARTOPENLOOPPHASEDEGOPENLOOPGAINDB自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第19页10806040200204432101234NYQUISTDIAGRAMREALAXISIMAGINARYAXIS4）第六章线性系统的校正利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；61设有单位反馈的火炮指挥伺服系统，其开环传递函数为若要求系统最大输出速度为，输出位置的容许误差小于1502SSKG/S12，试求1确定满足上述条件的最小值，计算该值下系统的相角裕度和幅值裕度；K2在前向通道中串联超前校正网络，计算校正后系统的相角裕度1084SGC和幅值裕度，说明超前校正对系统动态性能的影响。解MATLAB程序文本如下K6G0TFK,CONV02,1,0,05,1GCTF04,1,008,1自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第20页GSERIESGC,G0G1FEEDBACKG0,1G11FEEDBACKG,1FIGURE1SUBPLOT211MARGING0GRIDSUBPLOT212MARGINGGRIDFIGURE2STEPG1,R,G11,BGRID程序运行结果如下2000200MAGNITUDEDB1021011001011021033601800PHASEDEGBODEDIAGRAMGM134DBAT316RAD/SEC,PM405DEGAT292RAD/SECFREQUENCYRAD/SEC2000200MAGNITUDEDB1011001011021033601800PHASEDEGBODEDIAGRAMGM99DBAT738RAD/SEC,PM298DEGAT385RAD/SECFREQUENCYRAD/SEC自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第21页STEPRESPONSETIMESECAMPLITUDE0102030405060700020406081121416182由图可以看出，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。65设单位反馈系统的开环传递函数为，若采用滞后超前校正装置1280SG，对系统进行串联校正，试绘制校正前后的对数幅频渐进特1201SSGC性曲线，并计算校正前后的相角裕度。解MATLAB程序如下W00011100G0TF8,CONV1,0,2,1GCTFCONV10,1,2,1,CONV100,1,02,1GSERIESG0,GCSUBPLOT211MARGING0SUBPLOT212MARGINGG1FEEDBACKG0,1G11FEEDBACKG,1自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第22页FIGURE2STEPG1,R,G11,BGRID程序运行结果如下1000100MAGNITUDEDB10210110010118090PHASEDEGBODEDIAGRAMGMINFDBATINFRAD/SEC,PM142DEGAT197RAD/SECFREQUENCYRAD/SEC2000200MAGNITUDEDB10410310210110010110218090PHASEDEGBODEDIAGRAMGMINFDBATINFRAD/SEC,PM745DEGAT0796RAD/SECFREQUENCYRAD/SEC0510152025002040608112141618STEPRESPONSETIMESECAMPLITUDE由图可以看出，当待校正系统不稳定时，采用串联滞后超前校正后可使系统的响应速度、相角裕度和稳态精度提高。利用MATLAB完成教材第六章习题622控制器的设计及验证；自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第23页已知，而为具有两个相同实零点的PID控制器。要求54120SSGSGC1选择PID控制器的零点和增益，使闭环系统有两对相等的特征根；2考察1中得到的闭环系统。给出不考虑前置滤波器与配置适当时，SGPSP系统的单位阶跃响应；3当时，计算系统对单位阶跃扰动的响应。SNSR1,0解MATLAB程序K4Z125G0TF1,CONV1,0,1,4,5GCTFKCONV1,Z,1,Z,1,0GPTF15625,CONV1,Z,1,ZG1FEEDBACKGCG0,1G2SERIESGP,G1G3FEEDBACKG0,GCEIGVALROOTS14910625T000110X,YSTEPG1,TX1,Y1STEPG2,TFIGURE1PLOTT,X,T,X1GRIDFIGURE2STEPG3,TGRID程序运行结果如下自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第24页012345678910010080060040020002STEPRESPONSETIMESECONDSAMPLITUDE对英文讲义中的循序渐进实例“DISKDRIVEREADSYSTEM”，试采用PD控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标。MSTS150,解MATLAB程序文本如下GPSTF7258,17258GCSTFCONV3968,17258,1PD控制器G1STF5,1G2STF1,1200G1SERIESGCS,G1SG2SERIESG1,G2SG3FEEDBACKG2,1,1SYSSERIESG3,GPST000101FIGURESTEPSYS,TGRID自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第25页程序运行结果如下000100200300400500600700800901002040608112STEPRESPONSETIMESECONDSAMPLITUDE给系统串联一个PD控制器，只要参数选择合理，能大幅度提高系统的稳定性与快速性，在对系统响应要求较高时，可采用此种校正方式，使系统最大程度上满足设计需要。5）第七章线性离散系统的分析与校正利用MATLAB完成教材第七章习题719的最小拍系统设计及验证；已知离散系统如图所示，其中采样周期，连续部分传递函数为，1T10SG试求当时，系统无稳态误差、过度过程在最少拍内结束的数字控制器。1TRZD解MATLAB程序文本如下GZPK,01,1GDC2DG,1,ZOHZTF10,1,1PHI111/Z自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第26页PHI1/ZDPHI/GDPHI1SYS0FEEDBACKGD,1SYS1FEEDBACKGDD,1T0055FIGURE1STEPSYS0GRIDFIGURE2STEPSYS0,B,SYS1,RGRID程序运行结果如下01234567891000102030405060708091STEPRESPONSETSECCT利用MATLAB完成教材第七章习题724的控制器的设计及验证；设连续的未经采样的控制系统的被控对象是，要求100SG1设计滞后校正网络是系统在单位阶跃输入下的超调量BASKGC自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告兰州理工大学电气工程与信息工程学院共24页第27页，且在单位斜坡输入时的稳态误差3001SE2若为该系统增配一套采样器和零阶保持器，并选采样周期，试采用ST变换方法，设计合适的数字控制器；ZDZD3分别画出1及2中连续和离散系统的单位阶跃响应曲线，并比较两者的结果；4另选采样周期，重新完成2和3的工作；ST015对于2中得到的，画出离散系统的单位斜坡响应，并与连续系统的单位斜Z坡响应进行比较。解MATLAB程序文本如下T01SYS1TF150,105,1,101,151,105SYS2TF0568,01221,03795,1,179,16,0743,TFIGURE1STEPSYS1,SYS2,4GRI