《自动控制原理》讲稿

院学稿郸讲to—甘◎2012〜2013学年第一学期分院（系、部）:信息工程学院教研室：电子工程系课程名称：自动控制原理及实验授课班级：2009级电子信息工程本科主讲教师：王洁丽职称：讲师使用教材：《自动控制原理》制作系统：WORD邯郸学院制

实验一典型环节及其阶跃响应一、实验目的掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。掌握控制系统时域性能指标的测量方法。二、实验仪器自动控制系统实验箱一台计算机一台三、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应:比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。R1R2

200K

■—I—I—R1IU2IU2VD1G(S)=-R2/R1G(S)=G(S)=-K/TS+1K=R2/R1,T=R2C积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。U圈1-12.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。2.3.4.G(S)=1/TST=RC微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。G(S)=-RCS比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。G(S)=K(TS+1)K=R2/R1,T=R2C比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。G(S)=K(1+1/TS)K=R2/R1，T=R2C五、实验步骤启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件。测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。比例环节连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入。检查无误后接通电源。在实验项目的下拉列表中选择实验一［一、典型环节及其阶跃响应］。鼠标单击N按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。记录波形及数据（由实验报告确定）。惯性环节连接被测量典型环节的模拟电路（图1-2）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入。检查无误后接通电源。实验步骤同4〜7积分环节连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入，将积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。实验步骤同4〜7微分环节连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入。检查无误后接通电源。实验步骤同4〜7比例+积分环节连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容连在模拟开关上。检查无误后接通电源。实验步骤同4〜7测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表。六、实验报告画出惯性环节、积分环节、比例+微分环节的响应曲线由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的研究二阶系统的特征参数，阻尼比£和无阻尼自然频率吐对系统动态性能的影响。定量分析£和叫与最大超调量Mp和调节时间ts之间的关系。进一步学习实验系统的使用方法学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器自动控制系统实验箱一台计算机一台三、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为①29（S）=（1）s2+2£ws+①2其中£和吐对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应:图2-1二阶系统模拟电路图

电路的结构图如图2-2：电路的结构图如图2-2：图2-2二阶系统结构图系统闭环传递函数为I1/T(2)中(s)=U2(s)AJ1(s)=Sz+(K/T)S+1/T(2)式中T=RC,K=R2/R1。比较(1)、(2)二式，可得叫=1/T=1/RCC=K/2=R2/2R1(3)由(3)式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率①。n今取R1=200K，R2=100KQ和200KQ，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100KQ，电容C分别取1^f和0.1口f,可得两个无阻尼自然频率①n。四、实验步骤连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入，将两个积分电容得两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件。测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击7按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。在实验项目的下拉列表中选择实验二［二阶系统阶跃响应］,鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果取①=10rad/s,即令R=100KQ，C=1^f；分别取£=0.5、1、2，即取R1=100KQ，R2分别等于n100KQ、200KQ、400KQ。输入阶跃信号，测量不同的£时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。取£=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KQ；叫=100rad/s,即取R=100KQ，改变电路中的电容C=0.1|f(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量bp和调节时间Tn。取R=100KQ；改变电路中的电容C=1口f,R1=100KQ，调节电阻R2=50KQ。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录Tp和bp的数值。五、实验报告画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与了，3n的关系。把不同£和«n条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。实验三控制系统的稳定性分析一、实验目的观察系统的不稳定现象。研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。二、实验仪器自动控制系统实验箱一台计算机一台三、实验内容系统模拟电路图如图3-1图3-1系统模拟电路图其开环传递函数为：G(s)=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中K1=R3/R2，R2=100KQ，R3=0〜500K；T=RC，R=100KQ，C=1.f或C=0.1、f两种情况。四、实验步骤连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入。1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件。检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。在实验项目的下拉列表中选择实验三［控制系统的稳定性分析］,鼠标单击目按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置目的电压U1=1000mV鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。取R3的值为50KQ，100KQ，200KQ，此时相应的K=10，K1=5，10，20。观察不同R3值时显示区内的输出波形（既U2的波形），找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200kQ，100kQ，50kQ，观察不同R3值时显示区内的输出波形,找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值，并观察U2的输出波形。在步骤5条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。改变电路中的电容C由1|if变成0.1|if，重复实验步骤4观察系统稳定性的变化。五、实验报告画出步骤5的模拟电路图。画出系统增幅或减幅振荡的波形图。计算系统的临界放大系数，并与步骤5中测得的临界放大系数相比较。实验四系统频率特性测量一、实验目的加深了解系统及元件频率特性的物理概念。掌握系统及元件频率特性的测量方法。二、实验仪器自动控制系统实验箱一台计算机一台三、实验内容模拟电路图及系统结构图分别如图4-2和图4-3。图4-2系统模拟电路图图4-3系统结构图系统传递函数取R3=500kQ，则系统传递函数为U2(S)500G(S)==U1(S)S310S+500若输入信号U1(t)=U1sinwt，则在稳态时，其输出信号为U2(t)=U2sin(rot+T)改变输入信号角频率①值，便可测得二组U2/U1和T随①变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。四、实验步骤连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的入。1输入，将将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件。测试计算机与实验箱的通

信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。测频率图在实验项目的下拉列表中选择实验四［四、系统频率特性测量］,鼠标单击习按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选择时间电压图，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，测波特图在实验项目的下拉列表中选择实验四［四、系统频率特性测量］,鼠标单击堂按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选自动选项，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。待数据采样结束后点击目按钮即可以在显示区内显示出所测量的波特图。测奈氏图在完成步骤6后，在显示区单击鼠标右键，即出现奈氏图。六、实验报告画出被测系统的结构和模拟电路图。画出被测系统的开环L(3)曲线与◎(3)曲线。整理表中的实验数据，并算出理论值和实测值。实验五控制系统的稳定性判据一、实验目的熟练掌握系统的稳定性的判断方法。二、基础知识及MATLAB函数用MATLAB求系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分别以s的降幕排列写为两个数组num、den。由于控制系统分子的阶次m一般小于其分母的阶次口，所以num中的数组元素与分子多项式系数之间自右向左逐次对齐，不足部分用零补齐，缺项系数也用零补上。直接求根判稳roots()控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均具有负实部。因此，为了判别系统的稳定性，就要求出系统特征方程的根，并检验它们是否都具有负实部MATLAB中对多项式求根的函数为roots()函数。若求以下多项式的根s4+10s3+35s2+50s+24，则所用的MATLAB指令为：>>roots([1,10,35,50,24])ans=-4.0000-3.0000-2.0000-1.0000特征方程的根都具有负实部，因而系统为稳定的。劳斯稳定判据routh()劳斯判据的调用格式为：[r,info]=routh(den)该函数的功能是构造系统的劳斯表。其中，den为系统的分母多项式系数向量，r为返回的routh表矩阵，info为返回的routh表的附加信息。以上述多项式为例，由routh判据判定系统的稳定性。den=[1,10,35,50,24];[r,info]=routh(den)r=135241050030240420024info=[]由系统返回的routh表可以看出，其第一列没有符号的变化，系统是稳定的。注意：routh()不是MATLAB中自带的功能函数，须加载routh.m文件(自编)才能运行。三、实验内容系统的特征方程式为2s4+s3+3s2+5s+10=0,试用两种判稳方式判别该系统的稳定性。单位负反馈系统的开环模型为KG(s)=(s+2)(s+4)(s2+6s+25)试用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K值范围。四、实验报告根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的MATLAB运算结果。总结判断闭环系统稳定的方法，说明增益K对系统稳定性的影响。五、预习要求结合实验内容，提前编制相应的程序。熟悉闭环系统稳定的充要条件及学过的稳定判据。实验六控制系统的根轨迹一、实验目的熟悉MATLAB用于控制系统中的一些基本编程语句和格式。利用MATLAB语句绘制系统的根轨迹。掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法。掌握系统参数变化对特征根位置的影响。二、基础知识及MATLAB函数根轨迹是指系统的某一参数从零变到无穷大时，特征方程的根在s平面上的变化轨迹。这个参数一般选为开环系统的增益K。课本中介绍的手工绘制根轨迹的方法，只能绘制根轨迹草图。而用MATLAB可以方便地绘制精确的根轨迹图，并可观测参数变化对特征根位置的影响。假设系统的对象模型可以表示为

G(s)=KG(睥K七'I%"1+…*公+、

0sn+asn-1*fbs+a系统的闭环特征方程可以写成1+KG0(s)=0对每一个K的取值，我们可以得到一组系统的闭环极点。如果我们改变K的数值，则可以得到一系列这样的极点集合。若将这些K的取值下得出的极点位置按照各个分支连接起来，则可以得到一些描述系统闭环位置的曲线，这些曲线又称为系统的根轨迹。1.绘制系统的根轨迹rlocus()MATLAB中绘制根轨迹的函数调用格式为:rlocus(num,den)开环增益k的范围自动设定。Rlocus(num,den,k)开环增益k的范围人工设定。Rlocus(p,z)依据开环零极点绘制根轨迹。rlocus(num,den)开环增益k的范围自动设定。Rlocus(num,den,k)开环增益k的范围人工设定。Rlocus(p,z)依据开环零极点绘制根轨迹。R=rlocus(num,den)不作图，返回闭环根矩阵。[r,k]=rlocus(num,den)不作图返回闭环根矩阵r和对应的开环增益向量k。其中，num,den分别为系统开环传递函数的分子、分母多项式系数，按s的降幕排列。K为根轨迹增益，可设定增益范围。例1：已知系统的开环传递函数G(s例1：已知系统的开环传递函数G(s)=K*(s+1)s3+4s2+2s+9绘制系统的根轨迹的MATLAB的调用语句如下：num=[11];den=[1429];rlocus(num,den)grid%定义分子多项式%定义分母多项式%绘制系统的根轨迹%画网格标度线title(‘RootLocus‘)；xlabel(‘RealAxis‘)；ylabel(‘ImaginaryAxis‘);则该系统的根轨迹如图3-1所示：图3-1系统的完整根轨迹图形图3-2图3-1系统的完整根轨迹图形图3-2特定增益范围内的根轨迹图形若上例要绘制K在(1,10)的根轨迹图，则此时的MATLAB的调用格式如下，对应的根轨迹如图3-2所示。Num=[11];den=[1429];k=1:0.5:10;rlocus(num,den,k)2.确定闭环根位置对应增益值K的函数rlocfind()在MATLAB中，提供了rlocfind函数获取与特定的复根对应的增益K的值。在求出的根轨迹图上，可确定选定点的增益值K和闭环根r(向量)的值。该函数的调用格式为：[k,r]=rlocfind(num,den)执行前，先执行绘制根轨迹命令rlocus(num,den)，作出根轨迹图。执行rlocfind命令时，出现提示语句，Selectapointinthegraphicswindow5,，即要求在根轨迹图上选定闭环极点。将鼠标移至根轨迹图选定的位置，单击左键确定，根轨迹图上出现“+”标记，即得到了该点的增益K和闭环根r的返回变量值。例2：系统的开环传递函数为例2：系统的开环传递函数为G(s)=K*s2+5s+6s3+8s2+3s+25，试求：(1)系统的根轨迹；(2)系统稳定的K的范围；(3)K=1时闭环系统阶跃响应曲线。则此时的MATLAB的调用格式为：G=tf([1,5,6],[1,8,3,25]);rlocus(G);%绘制系统的根轨迹[k,r]=rlocfind(G)%确定临界稳定时的增益值k和对应的极点rG_c=feedback(G1);%形成单位负反馈闭环系统step(G_c)%绘制闭环系统的阶跃响应曲线则系统的根轨迹图和闭环系统阶跃响应曲线如图3-2所示。其中，调用rlocfind()函数，求出系统与虚轴交点的K值，可得与虚轴交点的K值为0.0264,故系统稳定的K的范围为KG(0.0264,8)。2绘制阻尼比C和无阻尼自然频率3〃的栅格线sgrid()2当对系统的阻尼比C和无阻尼自然频率3〃有要求时，就希望在根轨迹图上作等。或等3〃线。MATLAB中实现这一要求的函数为sgrid()，该函数的调用格式为：sgrid(J3〃)已知。和3〃的数值，作出等于已知参数的等值线。sgrid(‘new’)作出等间隔分布的等C和3网格线。例3-3：系统的开环传递函数为G(5)=一-1一-，由rlocfind函数找出能产生主导极点

s(s+1)(s+2)阻尼匚=0.707的合适增益，如图3-3(a)所示。G=tf(1,[conv([1,1],[1,2]),0]);zet=[0.1:0.2:1];wn=[1:10];sgrid(zet,wn);holdon;rlocus(G)[k,r]=rlocfind(G)Selectapointinthegraphicswindowselected_point=-0.3791+0.3602ik=0.6233r=-2.2279-0.3861+0.3616i-0.3861-0.3616i同时我们还可以绘制出该增益下闭环系统的阶跃响应，如图3-3(b)所示。事实上，等C或等3n线在设计系补偿器中是相当实用的，这样设计出的增益K=0.6233将使得整个系统的阻尼比接近0.707。由下面的MATLAB语句可以求出主导极点，即r(2.3)点的阻尼比和自然频率为

G_c=feedback(G1)；step(G_c)dd0=poly(r(2:3,:));wn=sqrt(dd0(3));zet=dd0(2)/(2*wn);[zet,wn]ans=0.72990.5290我们可以由图3-3(a)中看出，主导极点的结果与实际系统的闭环响应非常接近，设计的效果是令人满意的。(a)根轨迹上点的选择(b)闭环系统阶跃响应图3-3由根轨迹技术设计闭环系统三、实验内容请绘制下面系统的根轨迹曲线G(G(s)=s(s2+2s+2)(s2+6s+13)G(s)=K(s+12)G(s)=(s+1)(s2+12s+100)(s+10)同时得出在单位阶跃负反馈下使得闭环系统稳定的K值的范围。四、实验报告根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的结果。记录显示的根轨迹图形，根据实验结果分析根轨迹的绘制规则。根据实验结果分析闭环系统的性能，观察根轨迹上一些特殊点对应的K值，确定闭环系统稳定的范围。五、预习要求

预习实验中的基础知识，运行编制好的MATLAB语句，熟悉根轨迹的绘制函数rlocus()及分析函数rlocfind()。掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法，思考当系统参数K变化时，对系统稳定性的影响。实验七绘制控制系统的波特图一、实验目的掌握用计算机绘制系统波特图的方法。通过仿真结果和理论计算的对照，加深对波特图的理解。、基础知识及MATLAB函数频域分析法是应用频域特性研究控制系统的一种经典方法。它是通过研究系统对正弦信号下的稳态和动态响应特性来分析系统的。采用这种方法可直观的表达出系统的频率特性，分析方法比较简单，物理概念明确。Bode图的绘制与分析系统的Bode图又称为系统频率特性的对数坐标图。Bode图有两张图，分别绘制开环频率特性的幅值和相位与角频率®的关系曲线，称为对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。MATLAB中绘制系统Bode图的函数调用格式为：bode(num,den)频率响应w的范围由软件自动设定bode(num,den,w)频率响应bode(num,den,w)频率响应w的范围由人工设定[mag,phase,w]=bode(num,den,w)指定幅值范围和相角范围的伯德图例：已知开环传递函数为G(例：已知开环传递函数为G(s)=30(0.25+1)

s(s2+16s+100)试绘制系统的伯德图。num=[001530];den=[1161000];w=logspace(-2,3,100);bode(num,den,w)grid绘制的Bode图如图4-2(a)所示，其频率范围由人工选定，而伯德图的幅值范围和相角范围是自动确定的。当需要指定幅值范围和相角范围时，则需用下面的功能指令：[mag,phase,w]=bode(num,den,w)BodeDiagramBodeDiagrammag,phase是指系统频率响应的幅值和相角，由所选频率点的w值计算得出。其中，幅值的单位为dB，它的算式为magdB=20lg10(mag)。指定幅值范围和相角范围的MATLAB调用语句如下，图形如图4-2(b)所示。num=[001530];den=[1161000];w=logspace(-2,3,100);[mag,phase,w]=bode(num,den,w);%指定Bode图的幅值范围和相角范围subplot(2,1,1);%将图形窗口分为2*1个子图，在第1个子图处绘制图形semilogx(w,20*log10(mag));%使用半对数刻度绘图，X轴为log10刻度，Y轴为线性刻度gridonxlabel(‘w/sA-1?);ylabel(‘L(w)/dB’);title(‘BodeDiagramofG(s)=30(1+0.2s)/[s(sA2+16s+100)]’);subplot(2,1,2);%将图形窗口分为2*1个子图，在第2个子图处绘制图形semilogx(w,phase);gridonxlabel(‘w/sA-1’);ylabel(W(O’);注意：半Bode图的绘制可用semilgx函数实现，其调用格式为semilogx(w,L)，其中L=20*log10(abs(mag))。三、实验内容典型二阶系统G(s)二32ns2+2争s+32nn绘制出®n=6,Q=0.1,0.3,0.5,0.8,2的bode图，记录并分析匚对系统bode图的影响。G(s)二四、实验报告根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的结果。记录显示的图形，并分析Q对二阶系统bode图的影响。五、预习要求预习实验中的基础知识，运行编制好的MATLAB语句，熟悉绘制频率曲线的图形函数bode()实验八绘制控制系统的奈魁斯特曲线一、实验目的掌握用计算机绘制控制系统的奈魁斯特曲线的方法。通过仿真实验，对比0型、1型、2型系统的奈魁斯特曲线的理论计算和计算机绘制的不同。二、基础知识及MATLAB函数频域分析法是应用频域特性研究控制系统的一种经典方法。它是通过研究系统对正弦信号下的稳态和动态响应特性来分析系统的。采用这种方法可直观的表达出系统的频率特性，分析方法比较简单，物理概念明确。Nyquist图的绘制与分析MATLAB中绘制系统Nyquist图的函数调用格式为：nyquist(num,den)频率响应w的范围由软件自动设定nyquist(num,den,w)频率响应w的范围由人工设定[Re,Im]=nyquist(num,den)返回奈氏曲线的实部和虚部向量，不作图.2s+6...例1：已知系统的开环传递函数为G(s)=，试绘制Nyquist图，并判断系统s3+2s2+5s+2的稳定性。num=[26];den=[1252];[z,p,k]=tf