自动控制原理实验教案省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

自动控制原理试验一线性系统时域分析MATLABsimulationandtimedomainanalysisoflinearsystem

1/37试验一线性系统时域分析一、试验目标1、掌握一阶和二阶系统非周期信号响应。2、熟悉二阶系统无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态。3、掌握系统稳态、暂态过程和静态误差。4、熟悉极点对高阶系统性能影响。5、熟悉零点对高阶系统性能影响。2/37试验一线性系统时域分析二、试验内容1、有一个系统其传递函数为，采取M文件和SIMULINK工具箱，观察当T=1，K分别取0.01、0.1、1、10时单位阶跃响应，分析K对系统性能影响；观察K=1，T分别取0.01、0.1、1、10时单位阶跃响应，分析T对系统性能影响。

2、有一个系统其单位负反馈传递函数为采取M文件或SIMULINK工具箱，观察系统单位阶跃响应稳态时间ts、上升时间tr、过渡时间tp，并计算其超调和稳态误差。3/37试验一线性系统时域分析二、试验内容3、有一个经典二阶系统，其ωn=8，观察当ζ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时单位阶跃响应，并分析ζ对系统性能影响。4、有两个系统传递函数分别为和，比较二者单位阶跃响应，并分析结果。4/37试验一线性系统时域分析二、试验内容5、以下有两个系统传递函数，经过M文件或SIMULINK构建模型，判定这两个系统是否稳定。5/37试验一线性系统时域分析三、试验要求 1、独立编写程序或搭建仿真模型，实现各内容要求。 2、统计各试验内容结果图形。 3、分析结果图形。 4、恪守试验课纪律。

6/37试验一线性系统时域分析四、试验说明

1、利用M文件构建模型。例：已知一系统开环传递函数为

完成以下工作：（1）求其单位闭环传递函数。（2）观察其单位阶跃响应。（3）判定其是否稳定7/37试验一线性系统时域分析源程序为：numg=[10]deng=[1210]sys1=tf(numg,deng)sys=feedback(sys1,1)pole(sys)t=[0:0.1:10][Y,T]=step(sys,t)[Y1,T]=step(sys1,t)plot(T,Y,T,Y1)gridon产生传递函数：10-----------------s^2+2s+10产生闭环传递函数：10-----------------s^2+2s+20求闭环传递函数极点求开环和闭环传递函数单位阶跃响应绘制开环和闭环传递函数单位阶跃响应波形图8/37试验一线性系统时域分析2、利用SIMULINK构建模型。9/37试验一线性系统时域分析五、试验汇报

1、试验名称 2、试验目标 3、试验内容 4、试验结果 1〉M文件源程序或模型图（包含模块参数） 2〉生成各结果图形。 5、试验结果分析10/37自动控制原理试验二系统频域分析Analysisofthesystemfrequency11/37试验二系统频域分析一、试验目标1、掌握利用根极点分析系统性能方法。2、熟悉开环零极点对根轨迹和系统性能影响。3、掌握绘制Nyquist和Bode图方法

。4、掌握系统频域分析方法。12/37试验二系统频域分析二、试验内容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系统根轨迹图。

2、已知一单位负反馈系统开环传递函数为：完成以下内容：（1）画出开环传函Bode图，并分析系统是否稳定，观察相角裕量。（2）分析输入信号分别为1(t),t,t2时稳态误差。13/37试验二系统频域分析二、试验内容3、经典二阶系统传递函数为：绘制ωn=6，ζ分别为0.01,0.1,1,10时Bode图。4、已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：试绘出K分别为1、3、5、7…15时Nyquist

图，并分析K对系统性能影响。14/37试验二系统频域分析二、试验内容5、已知一个单位负反馈系统开环传递函数为： 绘制Bode图，并观察幅值裕度、相角裕度和穿越频率。分析系统稳定性。15/37试验二系统频域分析三、试验要求 1、独立编写程序或搭建仿真模型，实现各内容要求。 2、统计各试验内容结果图形。 3、分析结果图形。 4、恪守试验课纪律。

16/37试验二系统频域分析四、试验说明

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开环传递函数为：

完成以下工作：（1）绘制系统根轨迹、Nyquist和Bode图。（2）观察幅值与相角裕度。17/37试验二系统频域分析源程序为：numg=[1]deng=[1211]sys1=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---------------------s^3+2s^2+s+1产生闭环传递函数：1------------------------s^3+2s^2+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=0db18/37试验二系统频域分析五、试验汇报

1、试验名称 2、试验目标 3、试验内容 4、试验结果 1〉M文件源程序 2〉生成各结果图形。 5、试验结果分析19/37自动控制原理试验三线性系统综合校正SynthesisCorrectionofLinearSystem20/37试验三线性系统综合校正一、试验目标1、熟悉几个校正步骤设计方法。2、了解和掌握相位超前和相位滞后控制校正步骤设计方法。3、掌握利用根轨迹和Bode图设计校正步骤方法

。4、掌握PI控制器设计方法。21/37试验三线性系统综合校正二、试验内容1、控制系统如图3.1所表示。利用根轨迹法设计校正步骤Gc(s)，输入R(s)为单位阶跃信号，加入校正步骤后应到达以下指标要求：（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%）。Gc（s）－+R(s)Y(s)图3.122/37试验三线性系统综合校正二、试验内容2、有一制导控制系统如图3.2所表示。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控制器后到达以下要求：（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。Gc（s）－+R(s)Y(s)图3.223/37试验三线性系统综合校正三、试验汇报

1、试验名称 2、试验目标 3、试验内容 4、试验结果 1>M文件源程序(或模型图) 2>设计过程和相关参数。 3>生成各结果图形。 5、试验结果分析24/37自动控制原理试验四非线性系统仿真分析SimulationAnalysisofNonlinearSystems25/37试验四非线性系统仿真分析一、试验目标1、熟悉几个非线性步骤特征。2、了解分线性步骤对系统影响。3、掌握分析非线性系统方法

。26/37试验四非线性系统仿真分析二、试验内容1、已知有一非线性系统如图4.1所表示，观察非线性步骤分别为三种经典步骤（死区、饱和、滞环）时单位阶跃响应。2、已知有一非线性系统如图4.2所表示，其中饱和步骤饱和值为5，观察当R(t)=10时系统输出。并与无非线性步骤系统输出进行比较。图4.1图4.227/37试验四非线性系统仿真分析二、试验内容3、已知有一包含滞环步骤非线性系统如图4.3所表示。利用Simulink工具箱搭建系统模型，模型图如图4.4所表示，完成以下任务：1>分别绘制原始系统相平面图和带有百分比反馈系统相平面图。2>经过结果分析百分比反馈对含有滞环步骤非线性系统影响。图4.3图4.4注意：图4.4蓝色线所框部分为百分比反馈步骤。28/37试验四非线性系统仿真分析三、试验说明1、三种非线性步骤模块在Simulink->Discontinuities工具箱中。各非线性步骤如图所表示。2、微分步骤()在Simulink->Continuous工具箱中。29/37试验四非线性系统仿真分析四、试验汇报

1、试验名称 2、试验目标 3、试验内容 4、试验结果 1>M文件源程序(或模型图) 2>生成各结果图形。 5、试验结果分析30/37自动控制原理试验五采样系统分析SamplinSystemAnalysis31/37试验五采样系统分析一、试验目标1、掌握连续系统离散化方法。2、熟悉采取Matlab分析离散系统方法。

32/37试验五采样系统分析二、试验内容1、已知带有零阶保持器采样控制系统如图5.1所表示，观察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秒时系统输出。并分析采样时间对系统稳定性影响。

2、已知有一连续系统传递函数为，设利用采样和零阶保持器对其离散化，采样时间Ts=0.1s。观察连续系统和离散系统单位阶跃响应，并比较分析。图5.133/37试验五采样系统分析二、试验内容3、已知有一离散系统开环传函为采样时间Ts=0.1s，试分析系统稳定性。

4、已知有一离散系统如图5.2所表示，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取值范围。图5.234/37试验五采样系统分析三、试验说明1、利用M文件构建离散系统。 例：已知一连续系统开环传递函数为：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离散系统传递函数。2>观察离散系统单位阶跃响应。3>绘制离散系统根轨迹图。35/37试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(