自动控制原理MATLAB分析及设计仿真实验报告

1、-*理工大学自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告院系：电气工程与信息工程学院班级：自动化一班*：卢一发*： 1505220215 时间：2021 年 11月 29日电气工程与信息工程学院自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验任务书2021一、仿真实验容及要求1MATLAB软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB软件的根本数值运算、根本符号运算、根本程序设计法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB仿真集成环境Simulink的使用。2各章节实验容及要求1第三章线性系统的时域分析法对教材第三章习题3-5系统进展动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进展比较，分析仿真结果；对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进展分析，说明不同控制器的作用；在MATLAB环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进展分析；在MATLAB环境下完成英文讲义；对英文讲义中的循序渐进实例Disk Drive Read System，在时，试采用微分反响控制法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足等指标。2第四章线性系统的根轨迹法在MATLAB环境下完成英文讲义；利用M

2、ATLAB绘制教材第四章习题4-5；在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进展分析；在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进展分析。3第五章线性系统的频域分析法利用MATLAB绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4第六章线性系统的校正利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；利用MATLAB完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；对英文讲义中的循序渐进实例Disk Drive Read System，试采用PD控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标。5第七章线性离散系统的分析与校正利用MATLAB完成教材第七章习题7-19的最小拍系统设计及验证；利用MATLAB完成教材第七章习题7-24的控制器的设计及验证；对英文讲义中的循序渐进实例Disk Drive Read System进展验证，计算D(z)=4000时系统的动态性能指标，并说明其原因。二、仿真实验时间安排及相关事宜1依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师应在第3学下发仿真任务书，并按

3、课程进度安排上机时间；学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时完成仿真实验要求的容；2实验完成后按规定完成相关的仿真实验报告；3仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订。自动化系自动控制原理课程组2021年8月24日2各章节实验容及要求1第三章线性系统的时域分析法对教材第三章习题3-5系统进展动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进展比较，分析仿真结果；单位反响系统的开环传递函数为该系统的阶跃响应曲线如以下图所示，其中虚线表示忽略闭环零点时，即的阶跃响应曲线。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;*label(t);ylabel(c(t);title(阶跃响应);程序运行结果如下：由图可以看出，闭环零点的存在可以在一定程度上减小系统的

4、响应时间，但是同时也增大了超调量，所以，在选择系统的时候应该同时考虑减小响应时间和减小超调量。对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进展分析，说明不同控制器的作用；解：由题意可得系统的闭环传递函数，其中当系统为测速反响校正系统时的闭环传递函数为，系统为比例-微分校正系统时的闭环传递函数为。MATLAB程序如下：G1=tf(10,1 1 0);sys2=feedback(G1,1,-1);G2=tf(0.1 0,1);G3=feedback(G1,G2,-1);G4=series(1,G3);sys=feedback(G4,1,-1);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);den=1 2 10;p=roots(den)t=0:0.01:7;figurestep(sys,r,sys1,b-,sys2,g:,t);grid;*label(t);ylabel(c(t);title(阶跃响应);不同控制器下的单位阶跃响应曲线如以下

5、图所示：从两个系统动态性能的比较可知，测速校正控制器可以降低系统的峰值和超调量的上升时间；而比例-微分控制器可以加快系统的上升时间和调节时间，但是会增加超调量，所以针对不同的系统要求应采用不同的控制器，使系统满足设计需求。在MATLAB环境下完成英文讲义；由题可知系统的开环传递函数为。求：(1)确定系统的零极点；(2)在单位阶跃响应下分析系统的稳态性能；(3)试分析传递函数的实虚极点对响应曲线的影响。解：MATLAB程序如下：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);*label(j);ylabel(1);title(零极点分布图);grid;t=0:0.01:5;figure(2);step(sys,t);grid;*label(t);ylabel(c(t);title(阶跃响应);(1)求得系统的零极点为z=emptyk=0和-6.5+35.1959i和p=6205(2)该系统的单位阶跃响应曲线和零极点分布

6、图如下：(3)分析：特征程的特征根都具有负实部，响应曲线单调上升，故闭环系统稳定，实数根输出表现为过阻尼单调上升，复数根输出表现为震荡上升。该系统的，峰值为1。由于闭环极点就是微分程的特征根，因此它们决定了所描述系统自由运动的模态，而且在零初始响应下也会包含这些自由运动的模态。也就是说，传递函数的极点可以受输入函数的激发，在输出响应中形成自由运动的模态。对英文讲义中的循序渐进实例Disk Drive Read System，在时，试采用微分反响控制法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足：等指标。解：MATLAB程序如下：G1=tf(5000,1,1000);G2=tf(1,1 20);Ga=series(100,G1);Gb=series(Ga,G2);G3=tf(1,1 0);Gc=series(Gb,G3);sys1=feedback(Gc,1);t=0:0.01:1;sys2=feedback(Gb,0.05);sys3=series(sys2,G3);sys=feedback(sys3,1);step(sys1,r,sys,b-,t);grid;*label(t);ylab

7、el(c(t);title(Disk Drive Read System);程序运行结果如下：由图可知，添加微分反响后系统扰动减小，自然频率不变，阻尼比变大，由欠阻尼变为过阻尼，使上升时间变大，超调量和调节时间变小，动态性能变好。但闭环增益减小，加大了系统的稳态误差。2第四章线性系统的根轨迹法在MATLAB环境下完成英文讲义；一个控制系统的开环传递函数为，求：(1)当时，画出系统的根轨迹图；(2)当画出系统根轨迹图，并确定系统稳定时的值。解：MATLAB程序如下：G=tf(1,1 -1 0);figure(1)rlocus(G);title(第一题的根轨迹图);num=1 2;den=1 20;Gc=tf(num,den);sys=series(Gc,G);figure(2)rlocus(sys);title(第二题的根轨迹图); 程序运行结果如下：在第一小题的根轨迹图中可以看出，系统的闭环极点都位于s平面的右半平面，所以系统不稳定；在第二小题的根轨迹图中可以看出，系统的根轨迹图与虚轴有两个交点，对应的开环增益为，系统稳定。利用MATLAB绘制教材第四章习题4-5；概略绘出的根轨迹图。

8、解：MATLAB程序如下：G=tf(1,1 10.5 43.5 79.5 45.5 0);rlocus(G);title(根轨迹图);在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进展分析；4-10设反响控制系统中，要求：(1)概略绘出系统根轨迹图，并判断闭环系统稳定性；(2)如果改变反响通路传递函数，使，试判断改变后的系统稳定性，研究由于的改变所产生的效应。解：MATLAB程序如下：%当H(s)=1num=1;den=conv(1 2 0,1 5);G=tf(num,den);figure(1);rlocus(G);title(第一题根轨迹图);%当H(s)=1+2snum1=2 1;G1=tf(num1,den);figure(2);rlocus(G1);title(第二题根轨迹图);程序运行结果如下：当时,根轨迹图如下：当时，根轨迹图如下：当时系统无零点，系统临界稳定的增益为，此时系统的根轨迹与虚轴的交点为；时，系统参加一个一阶微分环节，此时无论增益如变化，系统总处于稳定状态，也就是说给系统参加一个一阶微分环节能大幅度提高系统的稳定性。3第五章线性系统的频域分析法利用MATLAB绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；5-8系统的开环传递函数为，画出系统的概略频率特性曲线。解：MATLAB程序文本如下：num=10;den=conv(2 1 0,1 0.5 1);G=tf(num,den);figure(1);margin(G);figure(2);nichols(G);grid;figure(3);nyquist(G);程序运行结果如下：5-10开环传递函数，试该绘制系统的概略频率特性曲线。解：MATLAB程序如下：num=1 1;den=conv(0.5 1 0,1/9 1/3 1);G=tf(num,den);figure(1);margin(G);figure(2);nichols(G);grid;figure(3);nyquist(G);4第六章线性系统的校正利用MATLAB选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；6-1设有单位反响的火炮指

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