自动控制原理MATLAB实验报告

实验报告 实验一实验一典型环节的典型环节的 MATLABMATLAB仿真仿真 一、实验目的一、实验目的 1．熟悉 MATLAB桌面和命令窗口，初步了解 SIMULINK 功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应 曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理二、实验原理 1．比例环节的传递函数为 G(s)   Z 2 Z   R 2 2R 1 100K,R 2  200K 1 R 1 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 1 所示。 图 1 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形 2．惯性环节的传递函数为 Z R 2 G(s)  2 Z   R 1 C   2 R 1 100K,R 2  200K,C 1 1uf 1 R 21 10.2s 1 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 2 所示。 图 2 惯性环节的模拟电路及SIMULINK 图形 班级：姓名：学号：1 实验报告 3．积分环节(I)的传递函数为 Z11 G(s)  2 Z   R   11C1s 0.1s R 1 100K,C 1 1uf 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 3 所示。 图 3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形 4．微分环节(D)的传递函数为 G(s)   Z 2 Z  R 1C1s  s R 1 100K,C 1 10ufC 2  C 1  0.01uf 1 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 4 所示。 图 4 微分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形 5．比例+微分环节（PD）的传递函数为 G(s)   Z 2 Z   R 2 R (R 1C1s 1)  (0.1s 1) 11 R 1  R 2 100K,C 1 10ufC 2  C 1  0.01uf 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 5 所示。 图5比例+微分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲线 班级：姓名：学号：2 实验报告 6．比例+积分环节（PI）的传递函数为 R 2  1 Z 2 C 1s 1 G(s)    (1)R 1  R 2 100K,C 1 10uf Z 1 R 1 s 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 6 所示。 图 6 比例+积分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲 三、实验内容三、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的 SIMULINK 仿真模型，观察并记录其 单位阶跃响应波形。 ① 比例环节G 1 (s) 1和G 1 (s)  2； ② 惯性环节G 1 (s)  11 和G 2 (s)  s 10.5s 1 ③ 积分环节G 1(s)  1 s ④ 微分环节G 1 (s)  s ⑤ 比例+微分环节（PD）G 1 (s)  s  2和G 2 (s)  s 1 ⑥ 比例+积分环节（PI）G 1 (s) 1 1 和G 2 (s) 1 1 s2s 四、实验报告四、实验报告 记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。 ①比例环节： G 1 (s) 1（如图 7 所示）G 1 (s)  2（如图 8 所示） 班级：姓名：学号：3 实验报告 ②惯性环节： 11 （如图 9 所示）G 2 (s) （如图 10 所示）G 1 (s)  s 1 ③积分环节：G 1(s)  1 s （如图 11 所示） ④微分环节：G1(s)  s（如图 12 所示） ⑤比例+微分环节（PD） ： G 1 (s)  s  2（如图 13 所示） ⑥比例+积分环节（PI） ： G 1 (s) 1 1 s （如图 15 所示） 班级：姓名： 0.5s 1 G 2 (s)  s 1（如图 14 所示） G 2 (s) 1 12s （如图 16 所示） 学号：4 实验报告 实验二实验二基于基于 MATLABMATLAB控制系统单位阶跃响应分析控制系统单位阶跃响应分析 一一. . 实验目的实验目的 1. 学会使用 MATLAB编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线。 2. 研究二阶控制系统中，n 对系统阶跃响应的影响。 3. 掌握准确读取动态特性指标的方法。 4. 分析二阶系统闭环极点和闭环零点对系统动态性能的影响。 二、实验报告二、实验报告 100 G已知单位负反馈前向通道的传递函数为：(s)  s25s 1. 试作出其单位阶跃响应曲线，准确读出其动态性能指标，并记录数据。 2. 分析ωn 不变时，改变阻尼比 ，观察闭环极点的变化及其阶跃响应的变化。 当 ＝0，0.25，0.5，0.75，1，1.25 时，求对应系统的闭环极点、自然振荡频率及阶跃响应曲 线。 班级：姓名：学号：5 实验报告 3. 保持 ＝0.25 不变，分析 ωn变化时，闭环极点对系统单位阶跃响应的影响。 当n＝10，30，50 时，求系统的阶跃响应曲线。 4. 分析系统零极点对系统阶跃响应的影响。 班级：姓名：学号：6 实验报告 实验三实验三 基于基于 MATLABMATLAB控制系统的根轨迹及其性能分析控制系统的根轨迹及其性能分析 一、实验目的一、实验目的 1. 熟练掌握使用 MATLAB绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法。 2. 学会分析控制系统根轨迹的一般规律。 3. 利用根轨迹图进行系统性能分析。 4. 研究闭环零、极点对系统性能的影响。 二、实验原理二、实验原理 1. 根轨迹与稳定性 当系统开环增益从变化时，若根轨迹不会越过虚轴进入 s 右半平面，那么系统对所 有的 K 值都是稳定的；若根轨迹越过虚轴进入 s 右半平面，那么根轨迹与虚轴交点处的 K 值，就是临界开环增益。应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或某一参 数下的闭环零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。 2. 根轨迹与系统性能的定性分析 1）稳定性。如果闭环极点全部位于 s 左半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性 只与闭环极点的位置有关，而与闭环零点位置无关。 2）运动形式。如果闭环系统无零点，且闭环极点为实数极点，则时间响应一定是 单调的；如果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。 3）超调量。超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率，并与其它闭环零、极 点接近坐标原点的程度有关。 4）调节时间。调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如 果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点 的模值。 5）实数零、极点影响。零点减小闭环系统的阻尼，从而使系统的峰值时间提前， 超调量增大；极点增大闭环系统的阻尼，使系统的峰值时间滞后，超调量减小。而且这 种影响将其接近坐标原点的程度而加强。 三、实验报告三、实验报告 s25s5 1. 已知系统的开环传递函数G(s)H(s)  2 ，绘制系统的零极点图。 s(s1)(s 2s2) 班级：姓名：学号：7 实验报告 2