南郵自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、南郵自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)二、線性系統(tǒng)的根軌跡研究實(shí)驗(yàn)三 . 系統(tǒng) 的頻 率響應(yīng)和穩(wěn)定性研究實(shí)驗(yàn)四、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正課程名稱：自動(dòng)控制原理仿真實(shí)驗(yàn)一：控制系統(tǒng)的時(shí)域分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 觀察控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)； 2.記錄單位階躍響應(yīng)曲線； 3.掌握時(shí)間響 應(yīng)分析 的一般方法； 4.初步了解控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。二、 實(shí)驗(yàn)步驟：1. 開機(jī)進(jìn)入 Mat lab 運(yùn)行界面。2. Mat lab 指令窗： Commandwindow, 運(yùn)行相關(guān)指令。依次完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。3. 本次實(shí)驗(yàn)的相關(guān) Mat lab 函數(shù)( 參考材教材 P74：控制系統(tǒng)模型描述 ) ：G=tf (num

2、 , den) 可輸入一傳遞函數(shù)。step (G, t)在時(shí)間范圍t秒內(nèi)，畫出單位階躍響應(yīng)圖。impulse (G, t)在時(shí)間范圍t秒內(nèi)，畫出單位脈沖響應(yīng)圖。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1.觀察一階系統(tǒng) 1 OlsTs數(shù)的時(shí)域響應(yīng)：取不同的時(shí)間常數(shù) T, 分別觀察該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)以及單位加速度響應(yīng)。脈沖響應(yīng)：T=lsT=3S階躍響應(yīng) :T=lsT=7s 斜坡響應(yīng)： T=lsT=3s單位加速度響應(yīng)：T=lsT=7s2、二階系統(tǒng)的時(shí)域性能分析：觀測(cè)二階系統(tǒng)222()2nnnss的單位階躍響應(yīng)。(D)令I(lǐng)n , 0,0.5,2分別取，結(jié)合單位階躍響應(yīng)圖，觀察阻尼比對(duì)階躍響應(yīng)的影響。阻尼比 =

3、0：G=tf(1,1,0,l)Transferfunction ：11s"2+lstep(G,18)阻尼比=0. 5：G=tf (1 ,1,1, l)Transferfunction ：11s"2+s+lstep(G, 18)阻尼比 =2：G=tf (1, 1,2, l)Transf erf unction ： 11 s"2+2s+lstep (G, 18)結(jié)論：當(dāng)阻尼比取 00時(shí)，其振蕩頻率為 11,即為無阻尼振蕩；當(dāng)阻尼比大于00 小于 11時(shí)，二階系統(tǒng)為欠阻尼二階系統(tǒng)，其單位階躍響應(yīng)為衰減振蕩；當(dāng)阻尼于比大于 11 時(shí)， 二階 系統(tǒng)為過阻尼二階系統(tǒng)，其單位階

4、躍響應(yīng)為是非振蕩的。(22)令 0.5,1,2,5 n分別取，結(jié)合單位階躍響應(yīng)圖，觀察自然頻率對(duì)階躍響應(yīng)的影響。自然頻率 =1:G=tf (1, 1,1, l)Transf erf unction ： 11 s"2+s+lstep (G, 18)自然頻率 =2：G=tf (4, 1,2,41)Transferfunction ： 22 s'2+2s+2step (G, 18)自然頻率二 5：G=tf (25, 1,5,25)Transferfunction ： 55 s 2+5s+5step (G，結(jié)論： 自然頻率越小，阻尼比越小，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)幅值越大。( 3)調(diào)節(jié)自然頻率

5、與阻尼比，要求：TrO. 56sTpl. 29sTs5. 46 超調(diào)不大于于 5%.記錄下滿足上述要求的自然頻率與阻尼比。G=tf (45. 1,10,45)G=45 s2+10s+45Continuous-timetransferfunction. step(G, 6)自然頻率 =16. 9538rad/sec 阻尼比=0. 73578實(shí)驗(yàn)二線性系統(tǒng)的根軌跡研究2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1)考察閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡的一般形成規(guī)律。( 2)觀察和理解引進(jìn)零極點(diǎn)對(duì)閉環(huán)根軌跡的影響。( 3)觀察. 理解根軌跡與系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)之間的聯(lián)系。 (4)初步掌握利用產(chǎn)生根軌跡的根本指令和方法。2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根軌跡繪制的指

6、令法、交互界面法；復(fù)平面極點(diǎn)分布和系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系。單位負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為2) '54()2() (2sssKsG,實(shí)驗(yàn)要求：(D)用試用MATLAB的的rlocus指令，繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡。(要求寫出 指令， 并繪出圖形。 )指令：:G=tf (12, 18264025)rlocus(G) (2) 用利用 MATLAB 的的 rlocfind 指令，確定 根軌跡的別離點(diǎn)、根軌跡與虛軸的交點(diǎn)。 (要求寫出指令，并給出結(jié) 果。 )指令：:rlocfind(G)別離點(diǎn)：-2. 0095+1. 0186iK=0. 0017 與虛軸的交點(diǎn): :-0.0000+3. 6025iK=65.

7、8411(3)用利用 MATLAB 的的 rlocfind 指令，求出系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益，并用指 令驗(yàn) 證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益：:65.8411由于系統(tǒng)無右半平面的開環(huán)極點(diǎn)，且奈奎斯特曲線不包圍(-1, J0)點(diǎn)，。系統(tǒng)穩(wěn)定。(4)用利用 SISOTOOL 交互界面，獲取和記錄根軌跡別離點(diǎn)、根軌跡與虛 軸的 交點(diǎn)處的關(guān)鍵參數(shù)，并與前面所得的結(jié)果進(jìn)行校對(duì)驗(yàn)證。(要)求寫出記錄 值，并給出說明。 ) 指令：:SISOTOOL (G) 原值：:K=0. 00017 校正值 :K=0. 000169原值： K 二65.8411校正值: K=71.8 (5)在在 SISOTOOL 界面上,翻開閉

8、環(huán) 的階 躍響應(yīng)界面，然后用鼠標(biāo)使閉環(huán)極點(diǎn) (小紅方塊 )從開環(huán)極點(diǎn)開始沿根軌跡 不斷移動(dòng)， 在觀察三個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨向的同時(shí)， 注意觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)的變化。 根據(jù)觀察， (A) 寫出響應(yīng)中出現(xiàn)衰減振蕩分量時(shí)的的 K 的取值范圍， (B) 寫出該 響應(yīng)曲線呈現(xiàn)欠阻尼 振蕩型時(shí)的 Ko的取值范圍。(AA) 0K71.8 (BB) 0K71. 8實(shí)驗(yàn)三系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性研究3. 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?( 1)繪制并觀察典型開環(huán) 系統(tǒng)的 Nyquist 圍線。(2) 繪制并觀察典型開環(huán)系統(tǒng)的 Bode 圖。(3) 運(yùn)用 Nyquist 準(zhǔn)那么判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4) 初步掌握相關(guān) MATLAB 指令

9、的使用方法。3. 2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、(必做內(nèi)容)使用sisotool交互界面研究典型開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線，并進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性討論。以下各小題的要求：(A) 根據(jù)所給開環(huán)傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式，繪制相應(yīng)的幅相頻率曲線和對(duì)數(shù)幅相頻率曲線。(B) 顯示出曲線對(duì)應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)具體表達(dá)式。(C) 假設(shè) MATLAB 指令繪制的幅相頻率曲線不封閉，或用文字說明所缺局部曲線的走向，或在圖上加以添加所缺曲線；曲線與(-1J0)點(diǎn)的幾何關(guān)系應(yīng)足夠清晰，能支持判斷結(jié)論的導(dǎo)出。(D) 對(duì)該開環(huán)函數(shù)構(gòu)成的單位負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性作出判斷，說明理由；假如閉環(huán)不穩(wěn)定，那么應(yīng)指出不穩(wěn)定極點(diǎn)的數(shù)目。(1) )1) (1(211s

10、TsTKG,其中K,T1,T2可取大于0的任意數(shù)。取 K=l, Tl=l, T2=2 ；指令如下：G=tf(1,231)Transferfunction:2s"2+3s+lmargin(G)nyquist(G)P=0,R =o,z=o 系統(tǒng)穩(wěn) 定(2) )1) (1) (1(3212sTsTsTKG,其中 K,T1,T2,T3 可取大于 0 的任意取 K=l, Tl=l, T2=2, T3=3 ；指令如下 :G=tf (1, 61161)Transferfunction ： 1 6s 3+1lsA2+6s+lmargin(G)nyquist (G)P=0, R=0,Z=0 系統(tǒng)穩(wěn)定(

11、3) 1(14 sTsKG,其 中 K,T1 可取 大于 0 的任意數(shù)。取 K=l, Tl=l ；指令如下：G=tf(1,110 jTransferfunction ：1 s"2+smargin(G)nyquist(G)P=0,R=0,Z=0 系統(tǒng)穩(wěn)定(4)1) (1()1(216sTsTssTKGa,女中。K 可取大于 0 的任意數(shù)。K=l, Ta=l, Tl=l, T2=2 ；指令如下：G=tf (11, 2310 )Transferfunction ： s+1 2s"3+3s"2+smargin(G)nyquist (G)P=0, R=0,Z=0 系統(tǒng)穩(wěn)定(

12、5)1(127 sTsKG,其中 K,T1 可取大于 0 的任意數(shù)。K=l, Tl=l ；臨界穩(wěn)定，指令如下：s"3+s"2margin(G)nyquisG=tf(1,1100)Transferfunction ： 1t(G)(6)1128,)l()l(TTsTssTKGaa , 其中 K 可取大于 0 的任意數(shù)。K=l, Ta=2, Tl=l ；指令如下：G=tf(21,11001)Transferfunction ：2s+l s 3+s'2margin(G)nyquist(G)臨界穩(wěn)定(7)1129jl()l(TTsTssTKGaa,其中 K 可取大于 0 的任

13、意數(shù)。K=l, Ta=l, Tl=2 ；臨界穩(wěn)定 , 指令如下：G=tf (11, 2100,)Transferfunction : s+12s 3+sAmargin(G)nyquist(G)(8)210)1) (KssTsTKGba , 其中 K,Ta,Tb 可取大于 0 的任意數(shù)。時(shí)間常數(shù) T 與 K 給出具體數(shù)值仿真取 K=l, Ta=l, Tb=2 指令如下:G=tf ( 2,3,1. 1,0,0)G=2s*2+3s+1 s"2Continuous-1imetransferfunction. margin (G) nyquist (G) 臨界穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)四連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)

14、目的 1. 加深理解串聯(lián)校正裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)性 能的校正作用。2. 對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，并通過模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。二. 實(shí)驗(yàn)儀器 1. EL-AT-III 型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái) 2?計(jì)算機(jī)一臺(tái)三 . 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容 1? 串聯(lián)超前校正 (1) 系統(tǒng)模擬電路圖如圖 5-1,圖中開關(guān) S 斷開對(duì)應(yīng) 未校情況，接 通對(duì)應(yīng)超前校正。圖圖 5511 超前校正電路圖 (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 5-2 圖圖 5522 超前校 正系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖圖中Gel (s) =22 (0. 055s+l) Gc2 (s) =0. 005s+12.串聯(lián)滯后校 正(1)模擬電路圖如 圖5-3,開關(guān)s斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，

15、接通對(duì)應(yīng)滯后校正。圖圖 55-3 滯后校正模擬電路圖 (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖 5-4圖圖 554 滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gcl(s) =1010 (s+1) Gc2 (s) =lls+13. 串 聯(lián)超前滯 后校正 (1)模擬電路圖如圖 5-5,雙刀開關(guān)斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)， 接通 對(duì)應(yīng)超前滯后校正。圖圖 55-5 超前滯后校正模擬電路圖 (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖 5-6。圖圖 55-66 超前滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gel(s)=66( 1. 2s+l )(0. 15s+l) Gc2 (s) = (6s+l) (0. 05s+l) 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)自 動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟

16、件。2?測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。超前校正:3. 連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路 ( 圖 5-1) o 電路的輸入 U1 接 A/D 、D/A 卡 的 DA1 輸出，電路的輸出 U2 接 A/D 、D/A 卡的 AD1 輸入，將將純積分電容兩端連 在 模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。4. 開關(guān) s 放在斷開位置 ? -5.在實(shí)驗(yàn)工程的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)五五、連續(xù) 系統(tǒng)串聯(lián)校正: L 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 o 在參數(shù)設(shè)置對(duì) 話框中 設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并記錄超調(diào)量

17、p 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts。6?開關(guān) s 接通，重復(fù)步驟 5,將兩次所測(cè)的波形進(jìn)行比擬。并將測(cè)量結(jié)果記 入下 表中:超前校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線見圖 1.1 見圖1.2%51. lll,8Tp 秒 166118Ts 秒 1152154 滯后校正 :7.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路 圖5-3 o電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的 DA1 輸出，電路的輸出 U2 接 A/D 、 D/A 卡的 AD1 輸入，將純積分電容兩端連在 模 擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。8?開關(guān) s 放在斷開位置。9?在實(shí)驗(yàn)工程的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)五 五、 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正 。鼠標(biāo)單擊 按 鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)

18、話框，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并記錄超調(diào)量P和調(diào)節(jié)時(shí)間tSo10?開關(guān)s接通，重復(fù)步驟9,將兩次所測(cè)的波形進(jìn)行比擬。并將測(cè)量結(jié)果記入下表中：滯后校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線見圖 2. 1 見圖2. 2%67.211.53Tp 秒213439Ts 秒2529529五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1?計(jì)算串聯(lián)校正 裝置的 傳遞函數(shù)Gc s和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。2. 畫出校正后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，并求出校正后系統(tǒng)的c及。3. 比擬校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)，說明校正裝置的作用。 階躍響應(yīng)曲線：串聯(lián)超前校正前： 串聯(lián)超前校正后： 圖 1.1 圖 1.2 串聯(lián)滯后校正前： 串聯(lián)滯后校正后：圖 2. 1 圖 2.2 串聯(lián)超前校正前：G s =Wc=16. 7rad/s, V 二 17 度串聯(lián)超前校正后：G s =Wc=25rad/s, V=65 度串聯(lián)滯后