自动控制原理实验指导书下

1、实验四 控制系统的根轨迹分析一、实验目的1. 学习MATLAB在控制系统中的应用；2熟悉MATLAB在绘制根轨迹中的应用；2. 掌握控制系统根轨迹绘制，应用根轨迹分系统性能的方法。二、实验内容1熟悉MATLAB中已知开环传递函数绘制闭环根轨迹的方法；2学习使用MATLAB 进行一阶、二阶系统仿真的基本方法。3.对下列给定的开环传递函数系统，绘制根轨迹图并计算相应参数值。（1）（2）（3）（4）（5）三、实验原理 已知开环传递函数绘制闭环根轨迹命令格式： rlocus(num,den) 求根轨迹上任一点处的增益命令格式: rlocfind( num,den )要求：记录根轨迹，并观察根轨迹的起点

2、、终点，根轨迹与开环零、极点分布的关系，实轴上的分离点、会合点，虚轴交点，出射角、入射角，和系统在不同K*值下的工作状态。注：可用num , den = zp2tf (z , p , k) 语句将零极点模型转换为传递函数模型,再求根轨迹，如：z=-1.5;p=1 10 50;k=1;num,den=zp2tf(z,p,k);rlocus(num,den)rlocfind(num,den)四、实验要求1记录绘制的根轨迹；2求出实轴上的分离点、会合点，根轨迹与虚轴交点；3分别求K*=1，10，100时,系统地零、极点的值五、实验思考1根轨迹的手工绘制图和计算机绘制图的区别；2分析增加开环极点对控制

3、系统动态性能的影响；3增加开环零点对控制系统动态性能的影响。实验五 控制系统频率特性分析一、实验目的1.熟悉MATLAB系统绘制Nyquist图和Bode图的方法。2.掌握用频率特性分析控制系统的方法。 3. 幅值和相位裕量的计算。二、 实验内容1. 二阶振荡环节的频率特性T=0.1秒时，分别绘制x=0.1、0.5、0.7时的Nyquist图和Bode图。1. 控制系统的频率特性分析单位负反馈系统的开环传递函数如下，绘制Nyquist图和Bode图。利用Nyquist图判定闭环系统的稳定性，利用Bode图计算系统的相位裕量和增益裕量，并利用开环频率特性估算闭环系统的动态性能指标：超调量s，调节

4、时间ts 。给定如下开环传递函数代表的系统： 三、 实验原理运用MATLAB软件，在MATLAB 窗口环境下，运用主菜单下新建_>M文件，在其编辑窗口下输入自编的仿真程序，然后保存文件，最后运行仿真程序，得出实验结果。1. 二阶振荡环节的频率特性T=0.1秒时，分别绘制x=0.1、0.5、0.7时的Nyquist图和Bode图。绘制Bode图的指令是Bode(sys)，绘制Nyquist图的指令是nyquist(sys).其中Bode图绘制参考程序如下：。num=1;data=10;zeta=0.1:0.1:1.0;grid;hold onfor z=zetaden=(1/ data)2

5、 2*z/ data 1;sys=tf(num,den);bode(sys);end title('振荡环节频率特性')hold off2. 控制系统的频率特性分析单位负反馈系统的开环传递函数如下，绘制Nyquist图和Bode图。利用Nyquist图判定闭环系统的稳定性，利用Bode图计算系统的相位裕量和增益裕量，并利用开环频率特性估算闭环系统的动态性能指标：超调量s，调节时间ts 。 其中式（2）求时域指标的参考程序如下：Disp(超调量s，调节时间ts);Sys=zpk=(-0.5,0 0 -0.1,3);Step（sys）;num,den=tfdata(sys,v);F

6、inalvalue=polyval(num,0)/polyval(den,0);y,x,t=step(num,den);y,k=max(y);Timetopeak=t(k);percentovershoot=100*(y-finalvalue)/finalvalue;N=1; While y(n)<0.1*finalvalue,n=n+1;endM=1;While y(m)<0.9*finalvalue,m=m+1;endRisetime=t(m)-t(n)L=length(t); While y(l)>0.98*finalvalue&(y(l)<1.02*fi

7、nalvalue)L=l-1;EndSenttlingtime=t(l) 3. 幅值和相位裕量。在分析系统性能的时候，经常涉及到系统的幅值和相位裕量的问题，使用控制系统工具箱提供的margin()函数可以直接求出系统的幅值和相位裕量，该函数的调用格式为：Gm, Pm, Wcg, Wcp=margin(A, B, C, D) 或Gm, Pm, Wcg, Wcp=margin(num, den) 其中，Gm和Pm分别是求取的系统的幅值裕量和相角裕量, Wcg和Wcp是与之对应的幅值裕量和相角裕量出相应的频率值。四、实验要求1. 绘制的各曲线.。2. 计算频率指标及时域指标。3. 判断系统的稳定性。

8、五、实验思考1. Nyquist图和Bode图的手工绘制图和计算机绘制图的区别；2.如何利用Bode图获得系统的传递函数？3.系统的Nyquist图和Bode图与系统的类型有何关系？实验六 离散PID控制一、实验目的1.研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2.研究采样周期T对系统特性的影响。3.研究I型系统及其系统的稳定误差。二、实验内容1.采样系统结构图如下图所示：T图中 : 选择被控对象的开环传递函数分别为：对象一：对象二： 2.被控对象一为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“I型”系统，被控对象二为“I型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“型”系统。3.当时，研究其过渡过程。4. PI调节器及PID调节器增益PI调节器传递函数： 式中 ，PID调节器传递函数： Gcs=Kp+KiS+KdS型”系统要注意稳定性。对于对象二，若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 为使闭环系统稳定，应满足，即。5.若数字PID的输入为ek，其数出为uk 三、实验原理在MATLAB环境下，进入simulink模块，建立如下程序，然后进行仿真运行： 研究PID三个参数对系统性能的影响.四、实验要求1、利用MATLAB搭建系统图； 2、令Ti=,Td=0，使用Z-N法确定PID参数，并求出系统的性能指标，即上升时间tr、最大超调：和调节时间ts