西工大控制工程基础实验指导书

控制工程基础实验指导ExperimentGuidebooktoControlEngineering西北工业大学2012年10月试验一．MATLAB仿真实验一、实验目的1.掌握使用MATLAB工具进行控制系统仿真分析；2.掌握使用MATLAB工具进行控制系统综合与校正。二、实验装置及用具CAD实验室的PC计算机已经安装了MATLAB6.5，在计算机上进行控制系统仿真实验。三、实验内容3.1一阶系统的仿真图1一阶系统(1)推导并写出图1所示的一阶系统的传递函数Uc(s)/Ur(s),图中，R4=R5=20KΩ，R3=1MΩ，C=1μF，R1=20KΩ，而R2有三种选择，即①R2=20KΩ；②R2=200KΩ；③R2=2KΩ。(2)利用MATLAB仿真，画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线，系统的频率特性（BODE图和乃氏图），说明物理系统的线性区（运算放大器电源电压为±15V）。3.2二阶系统的仿真(1)推导并写出图2所示的二阶系统的传递函数Uc(s)/Ur(s)，说明选取不同的R5会有不同的阻尼比ξ。图中，R1=1MΩ，C=0.1μF，R3=100KΩ，R4=100KΩ，而R5有三种选择，即①R5=40KΩ；②R5=100KΩ；③R5=140KΩ。图2二阶系统（2）利用MATLAB仿真，画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线；利用MATLAB仿真，画出不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode图和乃氏图），根据这个Bode图，分析二阶系统的主要动态特性（MP,ts）。3.3三阶系统的稳定性研究（1）图3是由三个时间常数一致的惯性环节组成的三阶系统，试推导其闭环传递函数Uc(s)/Ur(s)，说明开环增益K为8时系统处于临界稳定；图中，R3=200K，C=0.1μF，R1=50KΩ，RX是470KΩ的电位计，可调节第二个运算放大器的放大倍数，从0.38变化到4。整个系统的开环增益可从1.5变化到16。图3三阶0型系统（2）利用MATLAB画出图3系统不同增益下的Bode图，分析该系统的稳定性；（3）给定三阶I型系统如图4所示，试推导其闭环传递函数，说明开环增益KV为何值时系统临界稳定，这时其剪切频率ωc为何值？图中：C1=C3=0.1μF，C2=1μF，R4=30KΩ，R1=R3=R5=100KΩ，R2=1MΩ，RX=1MΩ是可调电位计，用以调节系统的开环增益KV。(4)利用MATLAB画出图4系统临界稳定时的Bode图，分析此时的系统开环增益值KV和剪切频率值。求出KV最大和最小时的相角裕量γ。图4三阶I型系统3.4控制系统的校正（1）单位反馈的控制系统开环传递函数为：1100()(0.041)(0.011)GSSSS校正装置的传递函数为：0.51()51JSGSS请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。（2）单位反馈的控制系统开环传递函数为：1200()(0.11)(0.0021)GSSSS加入PD校正，其传递函数为：0.051()0.0051JSGSS请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。实验报告年月日课程名称控制工程基础实验名称MATLAB仿真实验班级姓名学号成绩教师评语指导教师：3.1一阶系统的仿真（1）传递函数表达式：（2）1）Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线2）系统的频率特性（BODE图和乃氏图）3）物理系统的线性区3.2二阶系统的仿真（1）二阶系统的传递函数（2）1）画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线；2）不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode图和乃氏图）；3）试分析二阶系统的主要动态特性（MP,ts）。3.3三阶系统的稳定性研究（1）推导其闭环传递函数，试说明开环增益K为8时系统处于临界稳定（2）利用MATLAB画出图3系统不同增益下的Bode图，分析该系统的稳定性（3）试推导图4其闭环传递函数，说明开环增益KV为何值时系统临界稳定，这时其剪切频率ωc为何值？（4）MATLAB画出图4系统临界稳定时的Bode图，分析此时的系统开环增益值KV和剪切频率值。求出KV最大和最小时的相角裕量γ。3.4控制系统的校正（1）请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。（2）请利用MATLAB，分析校正前后的稳定性和系统品质，分析开环增益对系统的影响。