《自动控制原理》实验指导书

《自动控制原理》实验指导书刘昌玉张明雄编华中科技大学水电学院2001年10月26日《自动控制原理》实验指导书目录实验1时域响应法....................................................................................................................21.1实验目的..............................................................................................................................21.2实验内容..............................................................................................................................21.3实验步骤..............................................................................................................................31.4思考题..................................................................................................................................31.5MATLAB用法........................................................................................................................31.5.1一个简单的例子..................................................................................................................................31.5.2本实验所用的系统..............................................................................................................................61.5.3说明.................................................................................................................................................11实验2反馈系统根轨迹法和频率响应法..............................................................................122.1实验目的............................................................................................................................122.2实验内容............................................................................................................................122.3实验步骤............................................................................................................................122.4思考题................................................................................................................................122.5RLTOOL用法.......................................................................................................................132.5.1rltool窗口...........................................................................................................................................132.5.2rltool用法...........................................................................................................................................14《自动控制原理》实验指导书2实验1时域响应法1.1实验目的研究闭环系统的单位阶跃时域响应理解性能指标的意义熟悉Matlab的基本用法。1.2实验内容线性系统的时域响应法，可以分析控制系统的动态性能和稳态性能，它能直接在时间域中对系统进行分析，直观，准确，并可提供系统时间响应的全部信息。控制系统性能的评价分为动态性能指标和稳态性能指标两类。为了求解系统的时间响应，在一般情况下，需要选择若干典型输入信号。在本实验中，我们采用单位阶跃函数作为典型输入信号。通常在阶跃函数的作用下，测定或计算系统的动态性能。描述稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t变化状况的指标，称为动态性能指标，它通常为：上升时间峰值时间延迟时间调节时间超调量稳态误差是描述系统稳态性能的一种性能指标。若时间趋于无穷时，系统的输出量不等于输入量，则系统存在稳态误差。由于时间不可能趋于无穷，因此，在本实验中，用末态误差来表示。一阶系统，是以一阶微分方程为运动方程的控制系统。二阶系统，是以二阶微分方程为运动方程作为运动方程的控制系统。二阶系统，分为欠阻尼、临界阻尼、过阻尼二阶系统。在本实验中，可以对具有以下几个开环传函的单位负反馈系统进行仿真比较：欠阻尼：临界阻尼：《自动控制原理》实验指导书3过阻尼：在改善二阶系统性能的方法中，比例-微分控制和测速反馈控制是两种常用的方法。1.3实验步骤进入Matlab工作环境在subsystem子系统中设计自己需要的传函双击”初始化”按钮执行仿真开始命令双击”性能指标”按钮1.4思考题在Simulink环境中先设计一个不低于二阶的系统，用比例微分和速度反馈等方式对系统进行优化，要求打印出最后的时域响应曲线，记下它的性能指标。谈一下对实验的感想，并提出对实验的一些改进建议。1.5Matlab用法Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的用户环境。它还包括了ToolBox（工具箱）求解各类问题的工具，可用来求解特定学科的问题。而它的动态仿真工具Simulink功能也十分强大。在本实验中，主要用到它的Simulink工具。1.5.1一个简单的例子双击Matlab图标，进入Matlab环境。如图1所示《自动控制原理》实验指导书4图1单击”Simulink库”按钮，如图2。图2单击图”新建”按钮，建一个新的Simulink编辑窗，如图3，图4：图3图4在Simulink库中打开Simulink/sources/signalgenerator，并将其拖到新建的窗口中。如图5，图6所示《自动控制原理》实验指导书5图5图6双击它，可改变它的属性。如图7所示：图7我们保持它的缺省设置，然后按同样的方法，将Simulink/sinks/scope和Simulink/math/gain拖入新建窗口。如图8《自动控制原理》实验指导书6图8用左键按住不放，连接这几个环节，这样，一个简单的系统就做成了。如图9所示：图9单击仿真开始按钮，双击scope环节，可以看到如下的图形。如图10所示：图10双击gain按钮，可以改变它的值，自己试一下，看看它的变化。1.5.2本实验所用的系统进入Matlab工作环境（如图11）打开contrl_1.mdl，进入已编好的Simulink环境（图12）。《自动控制原理》实验指导书7图11图12可以看到下面两个窗口。一个是Simulink编辑窗口。一个是示波器scope显示窗口。如图13，图14所示图13《自动控制原理》实验指导书8图14对subsystem子系统设计传函：双击如图所示按钮”subsystem1”。如图15，图16所示图15图16单击”Simulink库”按钮，如图17所示。《自动控制原理》实验指导书9图17在Simulink库中找到需要的环节，按住左键拖到图16的编辑窗口中。编辑好后，进行仿真。先双击”初始化”按钮，然后单击”仿真开始”按钮，在示波器中可以看到仿真的时域响应曲线，如图18。再双击”性能指标”按钮，可以在显示窗口中看到性能指标，如图19所示。图18《自动控制原理》实验指导书10图19其它几个可能会用到的模块：Simulink/continuous/derivative微分环节Simulink/continuous/integrator积分环节Simulink/continuous/transferFcn分子分母用多项式表示的传函Simulink/continuous/zero-pole零极点表示的传函双击这些模块，可以改变它们的属性值，以符合自己的需要。例如，测速反馈控制的子系统可以设计如图20：图20比例-微分控制的子系统可以设计如图21：《自动控制原理》实验指导书11图211.5.3说明（1）在本实验中，如果不存在上升时间（按第一次达到稳态值定义），则输出”-1”。（2）本实验仿真时间缺省为30s，如果需要，可以改变。在菜单”simulation/parameters…”中，将”stoptime”改为需要的值，如图22图22本实验”性能指标”值，不适用于发散系统。《自动控制原理》实验指导书12实验2反馈系统根轨迹法和频率响应法2.1实验目的掌握系统的根轨迹法和频率响应法能用rltool工具得到系统的根轨迹和频率响应曲线，并能对它们的特性进行分析。2.2实验内容根轨迹法是一种求解闭环特征方程根的简便的图解方法，它根据系统的开环传递函数极点和零点的分布，依据一些简单的规则，研究开环系统某一个参数（常选作开环系统的增益k）从零到无穷大时，闭环系统极点在s平面上的轨迹。利用根轨迹法能够分析结构和参数确定的系统的稳定性及系统的动态响应特性。还可根据对系统动态和静态特性的要求确定可变参数，调整开环零极点的位置和数目。频率分析法是应用频率特性研究线性控制系统的一种经典方法。对于二阶系统，频率特性与过渡过程性能指标有确定的对应关系；对于高阶系统，两者也存在近似关系。因为频率特性与系统的参数和结构密切相关，故可以用研究频率特性的方法，把系统参数和结构的变化与过渡过程的指标联系起来。频率特性有明确的物理意义，有很大的实际意义。2.3实验步骤（1）在Matlab命令窗口设计需要的传函（2）执行rltool命令，进