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1、自动控制原理上机实验指导书王芳、杨志超编写南京工程学院电力工程学院二七年二月44目 录Simulink仿真集成环境简介2实验一 典型环节的性能分析11实验二 二阶系统的性能分析14实验三 自动控制系统的稳定性和稳态误差分析17实验四 自动控制系统根轨迹的分析22实验五 自动控制系统的频域分析27实验六 控制系统的校正及设计32实验七 非线性系统的稳定性分析39Simulink仿真集成环境简介 Simulink是可视化动态系统仿真环境。1990年正式由Mathworks公司引入到MATLAB中，它是Slmutation 和Link的结合。这里主要介绍它的使用方法和它在控制系统仿真分析和设计操作的
2、有关内容。1、进入Simulink操作环境 双击桌面上的MATLAB图标，启动MATLAB，进入开发环境，如图0-1所示：图0-1 MATLAB开发环境从MATLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境有多种方法，介绍如下：点击工具栏的Simulink图标，弹出如图0-2的图形库浏览器画面。在命令窗口键入“simulink”命令，可自动弹出图形库浏览器。上述两种方法需从该画面“File”下拉式菜单中选择“New/Model”，或点击图标，得到图0-3的图形仿真操作画面。从“File”下拉式菜单中选择“New/Model”，弹出图0-3所示的未命名的图形仿真操作画面。从工具栏中点击图形
3、库浏览器图标，调出图0-2的图形库浏览器画面。图0-3用于仿真操作，图0-2的图形库用于提取仿真所需的功能模块。图0-2 Simulink图形库浏览器画面图0-3 simulink仿真操作环境画面2、提取所需的仿真模块 在提取所需仿真模块前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所用的参数。 图0-2中的仿真用图形库，提供了所需的基本功能模块，能满足系统仿真的需要。该图形库有多种图形子库，用于配合有关的工具箱。下面将对本书中实验可能用到的功能模块作一个简单介绍。（1） Sources（信号源模块组）点击图0-2图形库浏览器画面中的Sources，界面右侧会出现各种常用的输入信号，如图0-4所示。图0-
4、4信号源模块组In（输入端口模块）用来反映整个系统的输入端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的。Signal Generator（信号源发生器）能够生成若干种常用信号，如方波信号、正弦波信号、锯齿波信号等，允许用户自由调整其幅值、相位及其它信号。From File（读文件模块）和From Workspace（读工作空间模块）两个模块允许从文件或MATLAB工作空间中读取信号作为输入信号。Clock（时间信号模块）生成当前仿真时钟，在于事件有关的指标求取中是很有意义的。Constant（常数输入模块）此模块以常数作为输入，可以在很多模型中使用该模块。Step（阶跃输入模块）以阶跃信号
5、作为输入，其幅值可以自由调整。Ramp（斜坡输入模块）以斜坡信号作为输入，其斜率可以自由调整。Sine Wave（正弦信号输入模块）以正弦信号作为输入，其幅值、频率和初相位可以自由调整。Pulse Genetator（脉冲输入模块）以脉冲信号作为输入，其幅值和脉宽可以自由调整。（2）Continuous（连续模块组） 连续模块组包括常用的连续模块，如图0-5所示。图0-5 连续模块组Derivative（微分器）此模块相当于自动控制系统中的微分环节，将其输入端的信号经过一阶数值微分，在其输出端输出。在实际应用中应该尽量避免使用该模块。Integrator（积分器）此模块相当于自动控制系统中的积
6、分环节，将输入端信号经过数值积分，在输出端输出。Transfer Fcn（传递函数）此模块可以直接设置系统的传递函数，以多项式的比值形式描述系统，一般形式为，其分子分母多项式的系数可以自行设置。Pole-Zero（零极点）将传递函数分子和分母分别进行因式分解，变成零极点表达形式，其中（系统的零点）、（系统的极点）可以自行设置。Transport Delay（时间延迟）此模块相当于自动控制系统中的延迟环节，用于将输入信号延迟一定时间后输出，延迟时间可以自行调整。（3）Math Operations（数学函数模块组）数学函数模块组包含各种数学函数运算模块，如图0-6所示。Gain（增益函数）此模块
7、相当于自动控制系统中的比例环节，输出信号等于输入信号的乘以模块中种指定的数值，此数值可以自行调整。Sum（求和模块）此模块相当于自动控制系统中的加法器，将输入的多路信号进行求和或求差。其它数学函数，如Abs（绝对值函数）、Sign（符号函数）、Rounding Function（取整模块）等。图0-6 数学函数模块组（4）Sinks（输出池模块组）输出池模块组包含那些能显示计算结果的模块，如图0-7所示。图0-7 输出池模块组Out（输出端口模块）用来反映整个系统的输出端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的，另外，系统直接仿真时这样的输出将自动在MATLAB工作空间中生成变量。Sc
8、ope（示波器模块）将其输入信号在示波器中显示出来。x-y Graph（x-y示波器）将两路输入信号分别作为示波器的两个坐标轴，将信号的相轨迹显示出来。To Workspace（工作空间写入模块）将输入的信号直接写到MATLAB的工作空间中。To File（写文件模块）将输入的信号写到文件中。Display（数字显示模块）将输入的信号以数字的形式显示出来。Stop Simulation（仿真终止模块）如果输入的信号为非零时，将强行终止正在进行的仿真过程。Terminator（信号终结模块）可以将该模块连接到闲置的未连接的模块输出信号上，避免出现警告。从图0-2中用鼠标点击打开所需子图形库，用鼠
9、标选中所需功能模块，将其拖曳到图0-3中的空白位置，重复上述拖曳过程，直到将所需的全部功能模块拖曳到图0-3中。拖曳时应注意下列事项：（1） 根据仿真系统框图，选择合适的功能模块进行拖曳，放到合适的位置，以便于连接。（2） 对重复的模块，可采用复制和粘贴操作，也可以反复拖曳。（3） 功能模块和图0-3的大小可以用鼠标移动到图标或图边，在出现双向箭头后进行放大或缩小的操作。（4） 选中功能模块的方法是直接点击模块，用鼠标选定所需功能模块区域来选中区域内所有功能模块和连接线，点击选中，并按下“shift”键，再点击其它功能模块。3、功能模块的连接 根据仿真系统框图，用鼠标点击并移动所需功能模块到合
10、适的位置，将鼠标移到有关功能模块的输出端，选中该输出端并移动鼠标到另一个功能模块的输入端，移动时出现虚线，到达所需输入端时，释放鼠标左键，相应的连接线出现，表示该连接已完成。重复以上的连接过程，直到完成全部连接，组成仿真系统。4、功能模块参数设置使用者需设置功能模块参数后，方可进行仿真操作。不同功能模块的参数是不同的，用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。例如，图0-8是Transfer Fcn（传递函数）功能模块的对话框。功能模块对话框由功能模块说明和参数设置框组成。功能模块说明框用于说明该功能模块使用的方法和功能，参数框用于设置该模块的参数。Transfer Fcn的参数框由分
11、子和分母多项式两个编辑框组成，在分子多项式框中，用户可输入系统模型的分子多项式，在分母多项式框中，输入系统模型的分母多项式。设置功能模块的参数后，点击OK进行确认，将设置的参数送仿真操作画面，并关闭对话框。图0-8 Transfer Fcn（传递函数）模块参数设置对话框5、仿真器参数设置点击图0-3操作画面“Simulation”下拉式菜单“Simulation Parameters”选项，弹出如图0-9所示的仿真参数设置画面。共有Solver、Workspace I/O、Diagnostics、Advanced和Real-Time Workshop等五个页面。在Solver中设置Solver
12、 Type、Solver（步长）等。仿真操作时，可根据仿真曲线设置终止时间和最大步长，以便得到较光滑的输出曲线。6、示波器参数设置当采用示波器显示仿真曲线时，需对示波器参数进行设置。双击Scope模块，弹出如图0-10所示的示波器显示画面，点击画面的图标，弹出如图0-11所示的示波器属性对话框，分2个页面，用于设置显示坐标窗口数、显示时间范围、标记和显示频率或采样时间等。时间范围可以在示波器属性对话框里的General页中的Time range设置，设置值应与仿真器终止时间一致，以便最大限度显示仿真操作数据。鼠标右键点击示波器显示窗口，从弹出菜单选择“Autoscale”，或直接点击图标，可在
13、响应曲线显示后自动调整纵坐标范围；从弹出菜单选择“Save current axes settings”，或直接点击图标，将当前坐标轴范围的设置数据存储。此外，还有打印、放大或恢复等操作。图0-9 仿真参数设置画面图0-10 示波器显示画面 图0-11 示波器属性对话框7、运行仿真模型编辑好后，点击图0-3操作画面“Simulation”下拉式菜单“start”或“start Simulation”按钮运行，双击Scope模块，显示输出曲线。8、对数据作后续处理 当仿真任务比较复杂时，需要将Simulation生成的数再导入到工作空间进行处理和分析，仿真结束后，输出结果通过“To worksp
14、ace”传送到工作空间中，在工作空间窗口中能看到这些变量，使用“whos”命令能看到这些变量的详细信息。另外，“To file”、“From file”模块能实现文件与Simulink的数据传输。实验一 典型环节的性能分析一、实验目的1、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线；2、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。二、实验任务1、比例环节（）从图0-2的图形库浏览器中拖曳Step（阶跃输入）、Gain（增益模块）、Scope（示波器）模块到图0-3仿真操作画面，连接成仿真框图。改变增益模块的参数，从而改变比例环节的放大倍数，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。可以同时显示三条响应曲线，仿真框图如图1-1所示。图1-1比例环节仿真框图2、积分环节（） 将图1-1仿真框图中的Gain（增益模块）换成Transfer Fcn（传递函数）模块，设置Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，使其传递函数变成型。改变Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，从而改变积分环节的，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-2所示。图1-2 积分环节仿真框图3、一阶惯性环节（）将图1-2中Transfer Fcn（传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成型，改变惯性环节的时
