自动控制原理实验指导书

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1、-自动控制原理实验指导书自动化工程系自动化教研室编写2021-8-17目 录实验一典型环节仿真研究1实验二典型系统动态性能和稳定性分析4实验三系统的稳态误差分析6实验四控制系统的根轨迹分析9实验五控制系统的频率特性分析12实验六PID调节器的作用及其参数对系统调节质量的影响15附录： MATLAB 6.5 的使用17. z-实验一 典型环节仿真研究一、实验目的：1、通过实验熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线、斜坡响应曲线，传递函数及其特性；2、研究分析参数变化对典型环节动态特性的影响。二、实验容：1、应用MATLAB仿真软件，实现对各种典型环节阶跃、斜坡信号的输入，用仿真示波器观测并记录各种典型环

2、节的阶跃、斜坡响应曲线；2、修改各典型环节的参数，观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响,测试并记录响应的数据。三、实验原理1、惯性环节(一阶环节)仿真，如以下图1-1所示：图1-1.1 可观察输入输出两条曲线。图1-1.2 只能观察输出曲线。注：将图中的输入信号模块step 模块更换为Ramp模块既可观察斜坡响应曲线。2、二阶环节仿真，如以下图1-2所示：图1-2 二阶振荡环节仿真模型图3、积分环节仿真，如图1-3所示：图1-3 积分环节仿真模型图4、比例+积分环节仿真，如图1-4所示：图1-4 比例+积分环节仿真模型5、比例+微分环节仿真，如以下图1-5所示：图1-5 比例+微分环节仿真模型

3、6、比例+积分+微分环节仿真，如以下图1-6所示：图1-6 比例+积分+微分环节仿真四、实验步骤：1、进入WINDOWS操作系统；2、进入MATLAB MAND WINDOW(双击桌面上的MATLAB图标进入)；3、进入 SIMULINK 窗口(在 MATLAB MAND WINDOW 窗口中,键入 SIMULINK 后按回车键) 或单击工具栏中的 图标；4、移动鼠标到FILE 菜单,单击鼠标左键,翻开FILE 菜单的子菜单；5、点击 NEW -(MODEL)，建立一个新的系统窗口MODEL窗口；6、参照第三局部的原理图，用鼠标将左边Simulink Library Browser窗口中的各个

4、模块拖动到右边的MODEL窗口；方法如下：1） 移动光标到Sources 模块，点击后出现Sources 模块的容，将该模块中的Step F(阶跃信号)选中，然后按住鼠标左键将其拖到Untitled窗口；2） 在Untitled窗口中，将光标移到Step F模块双击鼠标左键产生属性对话框，在该对话框中可以选择阶跃起始时间，初始值和阶跃值；3） SIMULINK窗口中的Continuous模块翻开，将Transfer F(传递函数)模块移到Untitled窗口中；4） 在Untitled窗口中,将鼠标移动到Transfer F模块双击鼠标左键产生属性对话框，在该对话框中可以设置传递函数的分子、分

5、母多项式的系数；5） 将SIMULINK窗口中的Sinks模块翻开，将Scope示波器模块移到Untitled窗口；6） 将鼠标移动到Scope模块，双击鼠标左键产生属性对话框，在该对话框中可以选择Horizontal Range(水平围)和Vertical Range(垂直围)。用同样的方法可以操作其它模块；如Mu* 模块在Signal Routing中；Gain和 Sum 模块在Math Operations中；PID组合模块在Simulink E*tras下的Additional Linear中；正弦波信号模块在Source中；非线性模块在Discontinuities中7、模块连接，将

6、光标移到一个模块的输出端()按下鼠标左键拖动鼠标到另一个模块的输入端()，松开鼠标左键就可以完成两个模块的连接；8、模块连接好后，就可以进展仿真，在Untitled窗口中，将光标移到Simulation菜单，按下鼠标左键，翻开子菜单，将高亮菜单条移到Start并单击鼠标左键或单击工具栏中的 图标，计算机开场仿真，示波器可显示出仿真曲线。9、仿真时间的设定，在Untitled窗口中，将光标移到Simulation菜单，按下鼠标左键，翻开子菜单，将高亮菜单条移到Simulation Parameters并单击鼠标左键，出现对话框，即可修改仿真时间。10、重复步骤4至8，完成其它环节的仿真，并做好记

7、录。五、思考题：1、惯性环节在什么情况下可近似比例环节?而在什么情况下可近似为积分环节?2、惯性环节与不振荡的二阶环节的阶跃响应曲线有何不同.3、将PID环节中的微分局部改为不完全微分形式，曲线形状如何.实验二 典型系统动态性能和稳定性分析一、实验目的：l、学习和掌握动态性能指标的测试方法(如、n 等)；2、研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。二、实验容：l、观测不同参数下二阶、三阶系统的阶跃响应，测试出时域性能指标(如 n 等)，并分析其参数变化对动态性能和稳定性的影响；2、观测增益对三阶系统稳定性的影响，找出临界稳定的增益值。三、实验原理：1、二阶系统，如以下图2-1所示：图2-

8、1 二阶系统仿真模型2、三阶系统，如以下图2-2所示：图2-2 二阶系统仿真模型四、实验步骤：利用MATLAB中的Simulink仿真软件。1、典型二阶系统瞬态响应指标的测试。1参考实验一，建立如图(2-1)所示的实验方块图进展仿真；2单击工具栏中的 图标，开场仿真，观测在阶跃输入信号下，典型二阶系统的输出值。根据输出波形调整“Gain模块的增益，使的波形呈现衰减比n:1分别为4:1和10:1时的衰减振荡状态。然后记录超调量，峰值时间，上升时间，调节时间及此时的增益值，分析系统参数对动态性能的影响；3调整“Gain模块的增益，使呈现临界振荡时的波形，记录此时“Gain模块的增益值，与计算的理论

9、值相比拟。2、典型三阶系统瞬态响应指标的测试及稳定性分析。1在典型二阶系统实验方块图的根底上，将对象串联一个惯性环节，重新连接模块，建立如图(2-2)所示的实验方块图进展仿真；2、单击工具栏中的 图标，开场仿真，观测阶跃输入信号下典型三阶系统的输出值，根据的波形，调整“Gain模块的增益，使的波形呈现2:1衰减振荡状态。然后记录超调量，峰值时间，上升时间，调节时间及此时的“Gain模块的增益值，分析系统参数对动态性能的影响；3、调整“Gain模块的增益，观测系统输出值的波形，使的波形呈现等幅震荡状态，然后记录“Gain模块的增益值，与计算的临界稳定时的理论值相比拟；4、调整Gain 模块的增益

10、，观测系统输出值的波形，使的波形呈现发散震荡状态，分析系统参数对稳定性的影响。五、思考题：1、有那些措施能增加系统的稳定程度.它们对系统的性能还有什么影响?2、将二阶系统的增益调得很大，系统是否会不稳定.3、系统时间常数的改变，对系统的动态性能和稳定性有何影响.实验三 系统的稳态误差分析一、实验目的：1、了解系统开环增益和系统型别对稳态误差的影响；2、了解输入信号的形式和幅值对系统稳态误差的影响；3、分析扰动作用下对系统稳态误差的影响；4、研究减小或消除稳态误差的措施。二、实验容：1、分别观测输入信号为阶跃信号、斜坡信号、加速度信号时，不同系统型别稳态误差的变化情况；2、对有差系统，增大或减小

11、系统的开环增益，观察系统稳态误差的变化；3、改变输入信号的幅值，观察系统稳态误差的变化；4、观测有扰动作用时，系统稳态误差的变化；5、采取一种措施消除阶跃扰动对系统的影响。三、实验原理：1、阶跃输入信号作用于0型系统，如以下图3-1所示：图3-1 阶跃输入信号作用于0型系统的仿真模型2、斜坡输入信号作用于型系统，如以下图3-2所示： 图3-2 斜坡输入信号作用于型系统的仿真模型3、加速度输入信号作用于型系统，如以下图3-3所示：图3-3 加速度输入信号作用于型系统的仿真模型4、扰动信号作用下的系统，如以下图3-4所示：图3-4 扰动信号作用下的系统的仿真模型四、实验步骤：利用MATLAB中的S

12、imulink仿真软件。1、参照实验一的步骤，建立如图(3-1)所示的实验方块图进展仿真；2、单击工具栏中的 图标，开场仿真，观测在阶跃输入信号作用下， 0型系统的输出曲线和误差曲线，记录此时的稳态误差值，并与理论计算值相比拟；3、有误差时，调整“Gain模块的增益，观察稳态误差的变化，分析系统开环增益对稳态性能的影响；4、有误差时，调整输入信号的幅值，观察稳态误差的变化，分析输入信号的大小对稳态误差的影响；5、将对象分别更换为型和型系统，观察在阶跃输入信号作用下，型和型系统的输出曲线和误差曲线，记录此时的稳态误差值；6、更换输入信号的形式为斜坡信号，参考图(3-2)所示的实验方块图，重复步骤

13、24，分别观测0型、型和型系统的稳态误差；7、再将输入信号的形式更换为加速度信号，参考图(3-3)所示的实验方块图，重复步骤24，分别观测0型、型和型系统的稳态误差；8、在扰动信号作用下，仿真实验方块图如图(3-4)所示，输入阶跃扰动信号，观测系统的输出曲线和误差曲线，记录此时的稳态误差值，并与计算的理论值相比拟；9、调整“Gain模块的增益，观察稳态误差有无变化；10、再调整“Gain1模块的增益，观察稳态误差有无变化；11、在扰动作用点之前增加积分环节消除阶跃扰动对系统输出的影响。五、思考题：1、控制系统的稳态误差与什么有关?2、怎样减小或消除扰动所产生的稳态误差.3、扰动作用点之后的积分

14、环节对稳态误差有无影响.实验四 控制系统的根轨迹分析一、实验目的：1、学习利用MATLAB语言绘制控制系统根轨迹的方法；2、学习利用根轨迹分析系统的稳定性及动态特性。二、实验容：1、应用MATLAB语句画出控制系统的根轨迹；2、求出系统稳定时，增益K的围；3、实验前利用图解法画出系统的根轨迹，算出系统稳定的增益围，与实测值相比拟；4、应用SIMULINK仿真工具，建立闭环系统的实验方块图进展仿真。观察不同增益下系统的阶跃响应，观察闭环极点全部为实数时响应曲线的形状；有共轭复数时响应曲线的形状实验方法参考实验二；5、分析系统开环零点和极点对系统稳定性的影响。三、实验原理：根轨迹分析法是由系统的开环传递函数的零极点分布情况画出系统闭环根轨迹，从而确定增益K的稳定围等参数。假定*闭环系统的开环传递函数为：利用MATLAB的以下语句即可画出该系统的根轨迹。b=1 1； 确定开环传递函数的分子系数向量a1=l 0； 确定开环传递函数的分母第一项的系数a2=l -1； 确定开环传递函数的分母第二项的系数a3=l 4 16； 确定开环传递函数的分母第三项的系数a=conv(al，a2)； 开环传递函数分母第一项和第二项乘积的系数a=conv(a，a3)； 分母第一项、第二项和第三项乘积的系数rlocus(b,a)； 绘制根轨迹，如图4-l所示p=1.5