自动控制原理MATLAB实验报告

实验一典型环节的MATLAB仿真一、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1■比例环节的传递函数为Z RG(s)=——2=——2=—2 R=100K,R=200KZ R 1 211其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1所示。Gmi「i Gmi「i £i：：i：ipR"=RCR"=RC+12120.2s+1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R=100K,R=200K,C=1uf121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3■积分环节（I）的传递函数为R=100K,CR=100K,C=1uf1一RCs 0.1s11其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图3所示。Ir^nsterFi：：nIr^nsterFi：：n图3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)一？一R1C1s一s1R=100K,G(s)一？一R1C1s一s1R=100K,C=10wfi 1C<<C21=0.01uf其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图4所示。StepDeriuativp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7 RG(s)=—-=—-2(RCs+1)=—(0.1s+1)7 R 1111R=R=100K,C=10uf121C<<C=0.01uf其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图5所示。StepDerivjtive学号：图5比例+微分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲线6■比例+积分环节（PI）的传递函数为=-(1+-)sR=R=100K,C=10uf=-(1+-)s121Stsp Integrator其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图6Stsp Integrator三、实验内容图6比例+积分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲线三、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。比例环节G(s)=1和G(s)=2；11惯性环节G(s)=丄和G(s)=-一1s+1 2 0.5s+1积分环节q(s)=A；微分环节G(s)=s1比例+微分环节(PD)G(s)=s+2和G(s)=s+112比例+积分环节(pi)g(s)=1+ys和g(s)=1+y2s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。比例环节：G(s)=1(如图7所示)1

G(s)=2(如图8所示)1惯性环节：如图10所示）G（s）=丄（如图如图10所示）1s+1积分环节：q（s）=苴（如图11所示）微分环节：GJs）=s（如图12所示）比例+微分环节（PD）：G（s）=s+2（如图13所示）1

G（s）=s+1（如图14所示）2G2G2（s）=1+5如图16所示）比例+积分环节（PI）：G（s）=1+1s（如图15所示）5班级：姓名：学号：实验二基于MATLAB控制系统单位阶跃响应分析一.实验目的学会使用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。掌握准确读取动态特性指标的方法。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、实验报告已知单位负反馈前向通道的传递函数为：G(s)=51•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。分析sn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,,,，1，时，求对应系统的闭环极点、自然振荡频率及阶跃响应曲线。3.保持=不变，分析3n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。实验三基于MATLAB控制系统的根轨迹及其性能分析一、 实验目的熟练掌握使用MATLAB绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法。学会分析控制系统根轨迹的一般规律。利用根轨迹图进行系统性能分析。研究闭环零、极点对系统性能的影响。二、 实验原理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。根轨迹与系统性能的定性分析稳定性。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。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。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。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。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1.已知系统的开环传递函数G(s)H(s)二 S2+5s+5 ，绘制系统的零极点图。s(s+1)(s2+2s+2)2.若已知系统开环传递函数，绘制控制系统的根轨迹图，并分析根轨迹的一般规律。G(s)H(s)=kG(s)H(s)=ks(s+1)(s+2)实验线性系统的频域分析实验线性系统的频域分析一、实验目的1■掌握用MATLAB语句绘制各种频域曲线。2．掌握控制系统的频域分析方法。二、实验报告1．典型二阶系统32 n s2+23s+32nn绘制出3二6,匚=0.1,,,,2的bode图，记录并分析匚对系统bode图的影响。n2．系统的开环传递函数为

10G10G(')_s2(5s-1)(s+5)G(s)二G(s)二s2(s+15)(s2+6s+10)4(s/3+1)s(0.02s+1)(0.05s+1)(0.1s+1)绘制系统的Nyquist曲线、Bode图，说明系统的稳定性，并通过绘制阶跃响应曲线验证。3■已知系统的开环传递函数为G3■已知系统的开环传递函数为G(s)二s+1s2(0.1s+1)。求系统的开环截止频率、穿越频率、幅值裕度和相位裕度。应用频率稳定判据判定系统的稳定性。4．根据频域分析方法分析系统，说明频域法分析系统的优点。实验五线性系统串联校正一、实验目的1■熟练掌握用MATLAB语句绘制频域曲线。2．加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用二、实验内容采用PI调节器串联校正对于给定的单位反馈闭环系统，如图1所示：8.15 _9 (1+0.05s)(1+0.01s)图1原闭环系统结构图串联校正装置的传递函数为G(s)=6.13(1*0.05s)，试画出原系统及各校正环节的模cs拟线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析校正前后系统的性能。采用PD调节器串联校正对于给定的单位反馈闭环系统，如图2所示图2原闭环系统结构图串联校正装置的传递函数为G(s)=8(1+0.25s)，试画出原系统及各校正环节的模拟c线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形