蘭州理工大學(xué)《自動控制原理》MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)第三章.doc

蘭 州 理 工 大 學(xué)自動控制原理MATLAB分析與設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告院系： 電信學(xué)院 班級： 控制工程基地一班 姓名： 杜鵬 學(xué)號： 1*06 時(shí)間： 2012 年 10 月 3 日電氣工程與信息工程學(xué)院自動控制原理MATLAB分析與設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)書（2012）一仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求：1MATLAB軟件要求學(xué)生通過課余時(shí)間自學(xué)掌握MATLAB軟件的基本數(shù)值運(yùn)算、基本符號運(yùn)算、基本程序設(shè)計(jì)方法及常用的圖形命令操作；熟悉MATLAB仿真集成環(huán)境Simulink的使用。2各章節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1）第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法 對教材P136.3-5系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)性能仿真，并與忽略閉環(huán)零點(diǎn)的系統(tǒng)動態(tài)性能進(jìn)行比較，分析仿真結(jié)果； 對教材P136.3-9系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能通過的仿真進(jìn)行分析，說明不同控制器的作用； 在MATLAB環(huán)境下完成英文講義P153.E3.3。 對英文講義中的循序漸進(jìn)實(shí)例“Disk Drive Read System”，在時(shí)，試采用微分反饋使系統(tǒng)性能滿足等設(shè)計(jì)指標(biāo)。2）第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法 在MATLAB環(huán)境下完成英文講義P157.E4.5； 利用MATLAB繪制教材P181.4-5-(3）； 在MATLAB環(huán)境下選擇完成教材第四章習(xí)題4-10或4-18，并對結(jié)果進(jìn)行分析。3）第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法利用MATLAB繪制本章作業(yè)中任意2個(gè)習(xí)題的頻域特性曲線；4）第六章 線性系統(tǒng)的校正 利用MATLAB選擇設(shè)計(jì)本章作業(yè)中至少2個(gè)習(xí)題的控制器，并利用系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)說明所設(shè)計(jì)控制器的功能。 對英文講義中的循序漸進(jìn)實(shí)例“Disk Drive Read System”，試采用PD控制使系統(tǒng)的性能滿足給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。5）第七章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正 利用MATLAB完成教材P383.7-20的最小拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。 利用MATLAB完成教材P385.7-25的控制器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。 對英文講義中的循序漸進(jìn)實(shí)例“Disk Drive Read System”進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算D(z)=4000時(shí)系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，說明其原因。二仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排及相關(guān)事宜1依據(jù)課程教學(xué)大綱要求，仿真實(shí)驗(yàn)共6學(xué)時(shí)，教師可隨課程進(jìn)度安排上機(jī)時(shí)間，學(xué)生須在實(shí)驗(yàn)之前做好相應(yīng)的準(zhǔn)備，以確保在有限的機(jī)時(shí)內(nèi)完成仿真實(shí)驗(yàn)要求的內(nèi)容；2實(shí)驗(yàn)完成后按規(guī)定完成相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告；3仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告請參照有關(guān)樣本制作并打印裝訂。自動化系自動控制原理課程組第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法P136.3-5 單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示，其中虛線表示忽略閉環(huán)零點(diǎn)時(shí)（即）的階躍響應(yīng)曲線.解：matlab程序如下num=0.4 1;den=1 0.6 0;G1=tf(num,den);G2=1;G3=tf(1,den);sys=feedback(G1,G2,-1);sys1=feedback(G3,G2,-1);p=roots(den)c(t)=0:0.1:1.5;t=0:0.01:20;figure(1)step(sys,r,sys1,b-,t);grid;xlabel(t);ylabel(c(t);title(階躍響應(yīng));程序運(yùn)行結(jié)果如下： 結(jié)果對比與分析：系統(tǒng)參數(shù)上升時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間峰值時(shí)間峰值超調(diào)量有閉環(huán)零點(diǎn)（實(shí)線）1.467.743.161.1837.2無閉環(huán)零點(diǎn)（虛線）1.3211.23.291.3718由上圖及表格可以看出，閉環(huán)零點(diǎn)的存在可以在一定程度上減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，但是同時(shí)也增大了超調(diào)量，所以，在選擇系統(tǒng)的時(shí)候應(yīng)該同時(shí)考慮減小響應(yīng)時(shí)間和減小超調(diào)量。并在一定程度上使二者達(dá)到平衡，以滿足設(shè)計(jì)需求。P139.3-9 設(shè)測速反饋校正系統(tǒng)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為，比例-微分校正系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為，試分析在不同控制器下的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。解：matlab程序如下，%第一小題G1=tf(10,1 1 0);G2=tf(0.2 0,1);G3=feedback(G1,G2,-1);G4=series(1,G3);sys=feedback(G4,1,-1);%第二小題G5=tf(0.1 0,1);G6=1;G7=tf(10,1 1 0);G8=parallel(G5,G6);G9=series(G8,G7);sys1=feedback(G9,1,-1);p=roots(den)t=0:0.01:15;figurestep(sys,r,sys1,b-,t);grid;xlabel(t);ylabel(c(t);title(階躍響應(yīng));不同控制器下的單位階躍響應(yīng)曲線如下圖所示，其中紅色實(shí)線為測速反饋校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，藍(lán)色虛線為比例-微分校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。 結(jié)果分析：系統(tǒng)參數(shù)上升時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間峰值時(shí)間峰值超調(diào)量測速反饋校正系統(tǒng)（實(shí)線）0.5032.611.131.1837.1比例-微分反饋校正系統(tǒng)（虛線）0.3923.440.941.3718.4據(jù)上圖及表格可知，測速反饋校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)中（實(shí)線），其峰值為1.18，峰值時(shí)間tp=1.13，比例-微分校正系統(tǒng)中（虛線），其峰值為1.37，峰值時(shí)間tp=0.94，對比以上兩個(gè)曲線可明顯看出，測速校正控制器可以明顯降低系統(tǒng)的峰值及超調(diào)量，但是會增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間；而比例-微分控制器能縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，但是會增加系統(tǒng)的超調(diào)量，所以針對不同的系統(tǒng)要求應(yīng)采用不同的控制器，使系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求。P155.E3.3 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（1）確定系統(tǒng)的零極點(diǎn)（2）在單位階躍響應(yīng)下分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能（3）試分析傳遞函數(shù)的實(shí)虛極點(diǎn)對響應(yīng)曲線的影響解:matlab程序文本如下num=6205;den=conv(1 0,1 13 1281);G=tf(num,den);sys=feedback(G,1,-1);figure(1);pzmap(sys);z,k,p=tf2zp(num,den),xlabel(j);ylabel(1);title( 零極點(diǎn)分布圖);grid；t=0:0.01:3;figure(2);step(sys,t);grid;xlabel(t);ylabel(c(t);title( 階躍響應(yīng));（1）z = Empty matrix: 0-by-1k = 0 -6.5000 +35.1959i -6.5000 -35.1959ip = 6205（2）該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線和零極點(diǎn)分布圖如下圖所示結(jié)果分析：由圖可知，該系統(tǒng)的上升時(shí)間=0.405，峰值時(shí)間=2.11，超調(diào)量=0.000448，峰值為1。 由于閉環(huán)極點(diǎn)就是微分方程的特征根，因此它們決定了所描述系統(tǒng)自由運(yùn)動的模態(tài)，而且在零初始響應(yīng)下也會包含這些自由運(yùn)動的模態(tài)。也就是說，傳遞函數(shù)的極點(diǎn)可以受輸入函數(shù)的激發(fā)，在輸出響應(yīng)中形成自由運(yùn)動的模態(tài)。P162.Disk Drive Read System 在時(shí)，試采用微分反饋使系統(tǒng)的性能滿足給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)（超調(diào)量5%,調(diào)節(jié)時(shí)間250ms）。解：matlab程序文本如下G=tf(500000,1 1000);G1=tf(1,1 20 0);G2=series(G,G1);G3=tf(0.029,1,1);sys=feedback(G2,1);sys1=feedback(G2,G3,-1);figure step(sys,sys1);grid;程序運(yùn)行結(jié)果如下結(jié)果分析：