自动控制原理实验教案

自动控制原理,实验一线性系统时域分析MATLABsimulationandtimedomainanalysisoflinearsystem,实验一线性系统时域分析,一、实验目的1、掌握一阶和二阶系统的非周期信号响应。2、熟悉二阶系统的无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态。3、掌握系统的稳态、暂态过程和静态误差。4、熟悉极点对高阶系统性能的影响。5、熟悉零点对高阶系统性能的影响。,实验一线性系统时域分析,二、实验内容1、有一个系统其传递函数为，采用M文件和SIMULINK工具箱，观测当T=1，K分别取0.01、0.1、1、10时的单位阶跃响应，分析K对系统性能的影响；观测K=1，T分别取0.01、0.1、1、10时的单位阶跃响应，分析T对系统性能的影响。2、有一个系统其单位负反馈的传递函数为采用M文件或SIMULINK工具箱，观测系统单位阶跃响应的稳态时间ts、上升时间tr、过渡时间tp，并计算其超调和稳态误差。,实验一线性系统时域分析,二、实验内容3、有一个典型二阶系统，其n=8，观测当分别为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,1.0,1.5,2.0时的单位阶跃响应，并分析对系统性能的影响。4、有两个系统的传递函数分别为和，比较两者的单位阶跃响应，并分析结果。,实验一线性系统时域分析,二、实验内容5、如下有两个系统传递函数，通过M文件或SIMULINK构建模型，判定这两个系统是否稳定。,实验一线性系统时域分析,三、实验要求1、独立编写程序或搭建仿真模型，实现各内容的要求。2、记录各实验内容的结果图形。3、分析结果图形。4、遵守实验课纪律。,实验一线性系统时域分析,四、实验说明1、利用M文件构建模型。例：已知一系统开环传递函数为完成下列工作：（1）求其单位闭环传递函数。（2）观测其单位阶跃响应。（3）判定其是否稳定,实验一线性系统时域分析,源程序为：numg=10deng=1210sys1=tf(numg,deng)sys=feedback(sys1,1)pole(sys)t=0:0.1:10Y,T=step(sys,t)Y1,T=step(sys1,t)plot(T,Y,T,Y1)gridon,产生传递函数：10-s2+2s+10,产生闭环传递函数：10-s2+2s+20,求闭环传递函数的极点,求开环和闭环传递函数的单位阶跃响应,绘制开环和闭环传递函数的单位阶跃响应波形图,实验一线性系统时域分析,2、利用SIMULINK构建模型。,实验一线性系统时域分析,五、实验报告1、实验名称2、实验目的3、实验内容4、实验结果1M文件源程序或模型图（包含模块参数）2生成的各结果图形。5、实验结果分析,自动控制原理,实验二系统的频域分析Analysisofthesystemfrequency,实验二系统的频域分析,一、实验目的1、掌握利用根极点分析系统性能的方法。2、熟悉开环零极点对根轨迹和系统性能的影响。3、掌握绘制Nyquist和Bode图的方法。4、掌握系统频域分析的方法。,实验二系统的频域分析,二、实验内容1、已知一个系统其传递函数为试分析K*分别为0.1、1、10、100时，系统是否稳定。并分别画出在单位正反馈和单位负反馈时的系统根轨迹图。2、已知一单位负反馈系统的开环传递函数为：完成下列内容：（1）画出开环传函的Bode图，并分析系统是否稳定，观测相角裕量。（2）分析输入信号分别为1(t),t,t2时的稳态误差。,实验二系统的频域分析,二、实验内容3、典型二阶系统的传递函数为：绘制n=6，分别为0.01,0.1,1,10时的Bode图。4、已知一个单位负反馈系统的开环传递函数为：试绘出K分别为1、3、5、715时的Nyquist图，并分析K对系统性能的影响。,实验二系统的频域分析,二、实验内容5、已知一个单位负反馈系统的开环传递函数为：绘制Bode图，并观测幅值裕度、相角裕度和穿越频率。分析系统的稳定性。,实验二系统的频域分析,三、实验要求1、独立编写程序或搭建仿真模型，实现各内容的要求。2、记录各实验内容的结果图形。3、分析结果图形。4、遵守实验课纪律。,实验二系统的频域分析,四、实验说明1、利用M文件绘制根轨迹、Nyquist和Bode图。例：已知一单位负反馈系统的开环传递函数为：完成下列工作：（1）绘制系统的根轨迹、Nyquist和Bode图。（2）观测幅值与相角裕度。,实验二系统的频域分析,源程序为：numg=1deng=1211sys1=tf(numg,deng)sys=feedback(sys1,1)figure(1)rlocus(sys)figure(2)bode(sys)mag,phase,w=bode(sys)Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(mag,phase,w)figure(3)nyquist(sys),产生传递函数：1-s3+2s2+s+1,产生闭环传递函数：1-s3+2s2+s+2,绘制根轨迹图,绘制Bode图,绘制Nyquist图,Usingthemarginfunction。Gm=gainmarginPm=phasemarginWcg=freq.forphase=-180Wcp=freq.forgain=0db,实验二系统的频域分析,五、实验报告1、实验名称2、实验目的3、实验内容4、实验结果1M文件源程序2生成的各结果图形。5、实验结果分析,自动控制原理,实验三线性系统的综合校正SynthesisCorrectionofLinearSystem,实验三线性系统的综合校正,一、实验目的1、熟悉几种校正环节的设计方法。2、理解和掌握相位超前和相位滞后控制的校正环节设计方法。3、掌握利用根轨迹和Bode图设计校正环节的方法。4、掌握PI控制器的设计方法。,实验三线性系统的综合校正,二、实验内容1、控制系统如图3.1所示。利用根轨迹法设计校正环节Gc(s)，输入R(s)为单位阶跃信号，加入校正环节后应达到下列指标要求：（1）稳态误差小于10%。（2）相角裕度大于45。（3）稳定时间小于5秒（超调小于2%）。,实验三线性系统的综合校正,二、实验内容2、有一制导控制系统如图3.2所示。其中飞行器等效传函G(s)=23/(s+23)，设PI控制器传函为Gc(s)=Kp+Ki/s，现设计PI控制器，使得系统加入PI控制器后达到下列要求：（1）稳定时间小于1秒（超调小于2%）。（2）对于单位斜坡输入，稳态误差小于0.1。,实验三线性系统的综合校正,三、实验报告1、实验名称2、实验目的3、实验内容4、实验结果1M文件源程序(或模型图)2设计过程和相关参数。3生成的各结果图形。5、实验结果分析,自动控制原理,实验四非线性系统的仿真分析SimulationAnalysisofNonlinearSystems,实验四非线性系统的仿真分析,一、实验目的1、熟悉几种非线性环节的特性。2、理解分线性环节对系统的影响。3、掌握分析非线性系统的方法。,实验四非线性系统的仿真分析,二、实验内容1、已知有一非线性系统如图4.1所示，观测非线性环节分别为三种典型环节（死区、饱和、滞环）时的单位阶跃响应。2、已知有一非线性系统如图4.2所示，其中饱和环节的饱和值为5，观测当R(t)=10时的系统输出。并与无非线性环节的系统输出进行比较。,图4.1,图4.2,实验四非线性系统的仿真分析,二、实验内容3、已知有一包含滞环环节的非线性系统如图4.3所示。利用Simulink工具箱搭建系统模型，模型图如图4.4所示，完成下列任务：1分别绘制原始系统的相平面图和带有比例反馈的系统相平面图。2通过结果分析比例反馈对含有滞环环节的非线性系统的影响。,图4.3,图4.4,注意：图4.4蓝色线所框部分为比例反馈环节。,实验四非线性系统的仿真分析,三、实验说明1、三种非线性环节模块在Simulink-Discontinuities工具箱中。各非线性环节如图所示。2、微分环节()在Simulink-Continuous工具箱中。,实验四非线性系统的仿真分析,四、实验报告1、实验名称2、实验目的3、实验内容4、实验结果1M文件源程序(或模型图)2生成的各结果图形。5、实验结果分析,自动控制原理,实验五采样系统分析SamplinSystemAnalysis,实验五采样系统分析,一、实验目的1、掌握连续系统的离散化方法。2、熟悉采用Matlab分析离散系统的方法。,实验五采样系统分析,二、实验内容1、已知带有零阶保持器的采样控制系统如图5.1所示，观测输入为单位阶跃输入，采样时间分别为0.01、0.05、0.1、0.5、1、1.5、2秒时系统的输出。并分析采样时间对系统稳定性的影响。2、已知有一连续系统的传递函数为，设利用采样和零阶保持器对其离散化，采样时间Ts=0.1s。观测连续系统和离散系统的单位阶跃响应，并比较分析。,图5.1,实验五采样系统分析,二、实验内容3、已知有一离散系统的开环传函为采样时间Ts=0.1s，试分析系统的稳定性。4、已知有一离散系统如图5.2所示，其中。设采样时间Ts=0.5s，利用根轨迹图，试分析要保持系统稳定，增益系数K的取值范围。,图5.2,实验五采样系统分析,三、实验说明1、利用M文件构建离散系统。例：已知一连续系统的开环传递函数为：采样时间Ts=1，零阶保持器传递函数为1计算含有零阶保持器的离散系统传递函数。2观测离散系统单位阶跃响应。3绘制离散系统的根轨迹图。,实验五采样系统分析,源程序：num=1;den=110;sysc=tf(num,den)T=1sysd=c2d(sysc,T,zoh)figure(1)step(sys