南邮自动控制原理上机报告

1、南邮自动控制原理上机报告南京邮电大学实验报告（2016/2017学年第一学期）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课程名称:自动控制原理班级学号:B14040325 姓名:杜楷指导老师:周颖南邮自动控制原理上机报告实验一控制系统的时域分析1、的:1. 观察控制系统的时域响应；2. 记录单位阶跃响应曲线；3. 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。1. 2实验步骤：5开机进入Matkib2012运行界面。6. Matlab指令窗:,Command Windowu运行指令:con_sys;进入本次实验主界面。

2、7. 分别双击上图中的三个按键，依次完成实验内容。&本次实验的相关Matlab函数： tf(num,den)可输入一传递函数。step(Gt)在时间范围t秒内，画出阶跃响应图。二、 实验内容：1.观察一阶系统G=l/(T+s)的时域响应：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响 应。脉冲响应：南邮自动控制原理上机报告T=5sT=7s阶跃响应:南邮自动控制原理上机报告T=7sT=9s斜坡响应:南邮自动控制原理上机报告T=9sT=lls单位加速度响应:南邮自动控制原理上机报告T=llsT=13s南邮自动控制原理上机报告2. 二阶系统的时域性能分析：调节时间滑

3、块，使阶跃响应最终出现稳定值。I II| (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o南邮自动控制原理上机报告自然频率越大胆尼比越大，零极点之间的角度越小。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。二阶系统性靛分析南邮自动控制原理上机报告阶送响应自然频率=2.0746rad/secAl_l1阻尼比=0.8787_11响应肘间=9.1792s记录下满足上述要求的自然频率与阻尼比。白然頻率=6.624rad/secH 一口阴尼比=0.690584I门-响应时间=20$Llll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：TrvO

4、、 56sTp 29sTs 46 超调不大于5%、回上升时间Tr=O.48714sZ 峰值时间 Tp 二0.65578s 匡调节时间Ts二0.43202s 叵超调 lDelt=4.98%自然频率=6、624rad/sec阻尼比=0、69058南邮自动控制原理上机报告EJ二阶訟序壬分听-5O45结构图sr2Cns1.41.210.80.6阶跃响应4 2O 山Z上升时间Tr=O 21862sk峰值时间Tp-0.28284s?调节时间Ts=O 18597SZ 超调量 Dell 二2.6683%自然频率=16.9538rad/sec3Al阻尼比=0.73578勺丄!响应时间，衬1I自然频率=16、95

5、38rad/sec阻尼比=0、735783.结合自动控制原理一书f age 135,题3_10、分别观察比例_微分与测速反 馈对二阶系统性能的改善。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。Administrator自乐縫酗IGtf(2,1,08,0)K2V2.?191调节时间性能改善前系统咱应51015202530g调节时间Ts=7.4233s2上升时间Tr=1.3711s7 超凋量 Delt39.5244% 殳峰值时间 Tp=2.3191s最小：Os21调节时间Ts=7、4233s 上升时间Tr=l 3711s 超调量 Delt=39 5344%峰值时间Tp=2、319

6、1s霧极点分布-1.5-1-0.500.51输入K K2 1ICGfS)阶跃响应1.412108060.4020051015匣调节时间Ts=14.846.可超调量Delt=39.5244%0峰値时间Tp=4.6382s2025300上升时间Tr=2.7423s南邮自动控制原理上机报告(2) .釆用不同的G输入,观察各项性能指数。K?G(S)g *gS)响应时间最小：Os 最大:100s q H调节时间Ts=14、846s 上升时间Tr=2、7423s 超调量 Delt=39. 5244%峰值时间Tp=4. 6382s0.50：-0.5南邮自动控制原理上机报告(3)、分别取不同的K3,观察比例一

7、微分控制对系统性能的改善。二 ECZM 八零彼点分布%：11-0.806-0.402阶舐响应14121080604020202530上升时间Tr=2.7136sI015回调节时间T沪6.4277s0 超调量 Delt=11.0483%S 峰值时间 Tp=4.3274s输入响应时间最小：Os最大:100s KS)K4*SC(S)阶眩响应1.寸间110回调节时间T沪2.3806s2 超调量 Delt=1.7417%性能改善前系统响应 性能改善后系统响应-202530回上升时间Tr=3.2179s 0峰值时间Tp=4.6362s 护1111111111111111111111零极点1 1501.传谨

8、函敎g tf(1,2,0.8,0)输入 | K1 O K2 OK3 2 K4 o响应时间最小：Os最犬:100s彳 15 K2*G(S)K4*S比例微分控制能有效改善系统性能使系统更快趋于稳定。南邮自动控制原理上机报告(4)设置不同的K4,观察测速反馈对系统性能的影响。eu .誉对三瑟、rrI U) l【凹|【心I回调节时间Ts=7.2212s匣上升时间Tr=4.146s0超调量Delt=7.4815%&峰值时间邛=5.7667s1X1 K1 O K2 OK1 KZS)K4*S唤的颁I 响应时间最小：Os100s“零极点分布o 1|:Lr-0.05：0 ；baaaa0.05：piI; ；/ I

9、I-2-1.5-1-0.500.5綸入 K1 1 K2 1ji0 超调量 Delt=-1.2926e-.叼峰值时间 Tp=5.7667sK3 o K4 2响应时间最小二Os最大二1OOs丿I测速反馈能有效改善系统性能使系统更快趋于稳定。南邮自动控制原理上机报告(5) .调节各个参数使系统阶跃响应满足: 上升时间Trv3、5s 超调量v2%、 记录下此时各个参数数据。u荻性能分祈O II回零极点弁布阶跃响应X 5 - ： 05伎谨函数Gtf(141,0.8,0)1511性能改善前系统响J 性能改善后系统响I2025団上升时间Tr=3.16団峰值时间Tp=4.21-11-1-0 9-13-1.2输

10、入响应时祠最小二厂K4 0-1IQKXS)K4%杠510卩调节时间Ts=2.4094s超调量 Delt=1.4712%C(S)南邮自动控制原理上机报告实验二 线性系统的根轨迹研究(1) 考察闭环系统根轨迹的一般形成规律。(2) 观察与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。(4) 初步掌握利用产生根轨迹的基本指令与方法。2.2实验内容根轨迹绘制的指令法、交互界面法;复平面极点分布与 系航响应的关系。已知单位负反馈系统的开环传递函数为G(S)= 竺 + 2)，实验要求：(5 - +4$+ 5)人 2o_xv ajqc_6qlu-(1) 试用MATLAB

11、的rlocus指令，绘制闭环系统根轨迹。(要求写出指令，并绘出图形。) 指令:G=tf(l 2,1 8 26 40 25)rlocus(G)M Figure 11 O II 叵 1 &File Edit View Insert Tools Desktop Window HelpDEHId駁諂13 匡1 0Root LocusReal Axis南邮自动控制原理上机报告（2） 利用MATLAB的rlocfind指令，确定根轨迹的分离点、根轨迹与虚轴的交点。（要求 写出指令拼给出结果。）指令:rlocfind（G）分离点:0095 + 1 0186i K=0x 0017与虚轴的交点:0、0000 +

12、 3. 60251K=65、8411fe & 0 區謠息） 0 口File Edit View Insert Tools Desktop Window HelpRoot Locus2 0 2 qxvC?e-Reu-4Real Axb（3）利用MATLAB的rlocfind指令.求出系统临界稳定增益，并用指令验证系统的稳定 性。系统临界稳定增益：65、8411由于系统无右半平面的开环极点但奈奎斯特曲线不包围C1J0）点廉统稳定。南邮自动控制原理上机报告(4) 利用SISOTOOL交互界面获取与记录根轨迹分离点、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。(要求写出记录值，并

13、给出说明。) 指令:SISOTOOL(G) S1SU Design tor VIVO Design I ask| o | 切 |W |File Edit View Designs Analysis Tools Window Help(95f-tb23 0 5 0 6 Av $4 9 3 创 2 訂 訂 2 (OOP) Qsfflc匕-270-10 1； 10 10 10 10PM: Inf Frea NariFrequency irac-secjLoop gain changed to 0.000169 (1 Bar|原值:K=0. 00017校正值:K=0 000169PJ S!SO Des

14、ign tor SISU Desigr I askfile Edit View Designs Analysis Tools Window HelpRoot Locus Edtor for Open Loop 1 (OL1)Real Axe-2 042XY DGUJ-4Opsr-Lcop node 二Cdcr :or Open Locp 1 iOL1120(0 0Tecna5 6DSO3BUQ.10： 10 101 10FrgQuencs (raisc)Loop gah changed io 71 8RMLdet on Dkxs tor more desion ODtws原值:K=65. 84

15、11校正值:K=71. 8南邮自动控制原理上机报告(5) 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,(A)写出响应中出现衰减振荡分量时的K的取值范 围B)写出该响应曲线呈现“欠阻尼”振荡型时的K的取值范围。o.s00.51.S22.STime (see)Z| Real-Time UpdateLTI ViewerS3 LTI Viewer for SISO Design TaskFile Edit Window Helpo 30-Step Resp5

16、101520Time (sec)2530356050o n- o o o o o4 3 2 1-1.2 IDpnpQ.wyLT1 ViewerFT Real-Time Update南邮自动控制原理上机报告EJ LTI Viewer for SISO Design TaskFile Edit WindowHelp-400o o8 6o420o50010001500Time (sec)200025007 ReakTime UpdateLTI Viewer(A) 0K 8(B) 0K 8(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G($) =(52 + 0.65)添加零点，增加

17、系统阻尼数，超调量减小，在sisotool界面上做仿真，写出未添加零点 时系统的超调:&，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。(选做)指令:G=tf(l,l 0. 6 0)添加零点s=0、417F=e Edi View oes.gns AnSLySJ.x TOOFWindow H2.PI1 1 1: IIIrtxe3(deopen,l.Dop moaft Editor for open rs 一 (01.1P N.; 64.2 deg| Freq 0.104 radJsee 1-15- 1%Frequency frasccMe r

18、 - B vQwQr f-or/lsc 匚 e讥gn -DskcFiQEdyWindow 工 e-ps 323 updrnLT1 viewer南邮自动控制原理上机报告实验三系统的频率响应与稳定性研究2.3实验目的（5）绘制并观察典型开坏系统的Nyquist围线。（6）绘制并观察典型开环系统的Bode图。（7）运用Nyquist准则判断闭坏系统的稳定性。（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原理与使用要领。（4）阅读与了解相关的MATLAB指令。2.5

19、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4相频率曲线与对数 4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（1Q）点的几诃关系 应足够淸晰，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)(7 + 1)(巧$ + 1)，其中K,TltT2可取人于

20、0的任意数。取 K=1,T1=1,T2=2; 指令如下：G=tf(l,2 3 1)Transfer function:南邮自动控制原理上机报告2 sA2 + 3 s + 1 margm(G) nyquist(G)Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)Open-Loop Dotic Editor for Open Loop 1 (OL1)NyqustDagran.4O.-O,8-0.4-0.20020.40.6081Real Axis(8)P=0,R=0Z=0 系统稳定（丁* + 1）（7 + 1）（7 + 1），其中 KE可取大于0的任意南邮自动控制原理

21、上机报告取 K=1J1=1J2=2J3=3;指令如下：G=tf(l,6 116 1)Transfer function:1OpenLoop Bode Editor for Opn Loop 1 (OL1)6sA3 + 11 sA2 + 6 s + 1 maigin(G) nvquist(G)Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1 -20-60-100Frequency Crod/scc)-120a-45-90-135-180-22S-270Oi210 10 10 10 10Frequency (rad/scc)Nyquist Ciacram6 4 2 0

22、2 4 60O.O.0.0 D shvzJeuGeE-6P=0R=0，Z=0系统稳定(9) Gj= ，其中K,门可取人于0的任意数。 5(7.5+ 1)南邮自动控制原理上机报告取 K=1J1=1; 指令如下： G=tf(l,l 1 0) Transfer function:1sA2 + s inargm(G) nvquist(G)Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)Frequency (rad/s-cc)Frequency frad/scc)Nyquist Cagram20 11111P=0R=0，Z=0 系统稳定(10)G二$4 + 1)( +1)，

23、其中KZ可取大于。的任意数。Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1 C0L1) 40200-20-40南邮自动控制原理上机报告取 K=1J1=1J2=2; 指令如下： G=tf(l,2 3 1 0) Transfer function:12 sA3 + 3 sA2 + s maigin(G) nyquist(G)SJ + 1)s(7s + l)(7 + l)，其中。K可取人于0的任意数。Open -Loop Bode Editor for Open Loop 1 (OL1 4020-20-40-60-30-100-120-90-135-150-22S-270

24、2 -2 -1 0 1 2 1010IO101OFrequency (rad/sec)南邮自动控制原理上机报告K=LTa=LTl=hT2=2;指令如下：G=tf(l 1,2 3 1 0)Transfer function:s + 12 sA3 + 3 sA2 + s inargm(G) nyquist(G)Root Locus- Editor for Open Loop 1 COL1)O.SEdnoi ror Closer loop i (CLi)50-50-廿Frequency (rad/sec)-1 6010-1Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1 (

25、OL1)Frequsw (rad/secNyquist Diagram30 1111120P=0、R=0Z=0系统稳定可取人于0的任意数。(12) G?= 2 ；其中s (/p + l)南邮自动控制原理上机报告K=1,T1=1;指令如下：G=tf(l,l 10 0)Transfer function:sA3 + sA2 inargm(G) nvquist(G)Root Locus Editor for Open Loop 1 (OL1)-1S0-160-270102Frequency (rad/sec)20(13)100SO0-100Open-Loop Bode Edrtor for Open

26、 Loop 1 COL1)101Nyquist DiagramFrequency (rad/sec55 0 5 0 5 0-21 1 2 - - 念5?eu6BU_-io2临界稳定K(G + 1)s2(T.s + l)T(,Ty，其中K可取人于0的任意数。南邮自动控制原理上机报告K=LTa=2,Tl=l;指令如下：G=tf(2 1,1 1 0 0)Transfer function:2s+lsA3 + sA2 maigin(G) nyquist(G)Nyquist Diagrcm-10临界稳定-25C-200-150-100南邮自动控制原理上机报告(14)G _K(7 + 1)952(75 +

27、 1)Ta T1 ,其中K可取大于0的任意数。K=l,Ta=LTl=2;指令如下：G=tf(l 1,2 1 0 0)Transfer function:s+ 12 sA3 + sA2 maigin(G) nyquist(G)Frequency* (rad/sec)Frequency CraC/s-ec)临界稳定实验US连续系统串耳关校正一、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串联超前校正南邮自动控制原理上机报告系统模拟电路图

28、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5-2超前校正系统结构图图中Gcl(s)二 22(0、055s+l)Gc2(s)二 0、 005s+l2.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。(2)系统结构图示如图5-4图5-4滞后系统结构图Gcl(s)=1010(s+l)图中Gc2(s) =lls+1南邮自动控制原理上机报告四、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就是否正常，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：3、连接被测屋典型环节的模拟

29、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。鼠标单击旦按钮, 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GP与调节时间tSo6、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:正系统指标校正前校正后阶跃响应曲线见图1、1见图1、26%66、419、1Tp （秒）0、1960. 142Ts （

30、秒）1、0160. 959滞后校正：7、连接被测屋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。鼠标单击二三!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GP与调节时间tSo10、开关s接通，重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入卞表中：校正系统 指标校正前校正后阶跃响应曲线见图2

31、、1见图2、26%77、225、4Tp （秒）0、2220、367Ts （秒）:、2390、951南邮自动控制原理上机报告Xl=0 X2=LOCCO Xl -X2| =10000Y1 =5000 Y2=5C00 Y1 Y2 I =10000图1、10 10CO 2000300040005000 6ooo 7000 Soco 90001000(实验五Xmis-YimV目的电压：系样：icoo* ioits5000400030002000IQQQ0-1000-2000-300a-4000-500aXl=O X2=LCOO0 |X1X2| =IOCOOYi=5C00 2=-5000 ,YY2 I =

32、locoo南邮自动控制原理上机报告|实懿eif”；测3Xl=C X2=10000 |X 1X2| =IC000Yl=500G Y2 二-5GQO Y1-Y2 1 =1CQOQI I数学I /图2、1Yl=5000 丫2 二-50C0 | Y1-Y2 |=10000图2、2南邮自动控制原理上机报告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

33、的输出接至AD/DA卡的采集输入端DAlo这样运行软件，可以从软件 界面上瞧到输入与输出波形。南邮自动控制原理上机报告图10-1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，就是由软件编程后通过D/A转换后从DA1端输出，就是一个 周期从-5到+5V,然后从+5V到-5V变化的波形。四、实验内容1、饱与特性、继电器特性与滞坏继电器特性模拟电路及输出特性曲线。改变Rl、R2、R3、 R4的阻值，使a的值人于、等于、小于1,即可得到不同的模拟继电器特性。2、死区特性模拟电路及输岀特性曲线。改变Rl、R2的阻值可改变死区宽度血南邮自动控制原理上机报告ruk：xoDl D2*100K200Kr I Y图10-4死区特性五、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就是否正常，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。3、连接被测屋典型坏节的模拟电路。电路的输入接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，检查无误后接通电源。4、在实验项目的下拉列表中选择实验十十、非线性实验。5、鼠标