自动控制原理实验指导书

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

2010-8-17

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)

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、实验内容：

1、应用MA TLAB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，如下图1-5所示：

图1-5 比例+微分环节仿真模型

6、比例+积分+微分环节仿真，如下图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 COMMAND WINDOW(双击桌面上的MATLAB图标进入)；

3、进入SIMULINK 窗口(在MA TLAB COMMAND 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,打开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、参照第三部分的原理图，用鼠标将左边Simulink Library Browser窗口中的各个模块拖动到右边的MODEL窗口；方法如下：

1）移动光标到Sources 模块，点击后出现Sources 模块的内容，将该模块中的Step Fcn(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 Fcn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模块打开，将Transfer Fcn(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 Fcn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、分母多项式的系数；

5）将SIMULINK窗口中的Sinks模块打开，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(水平范围)和Vertical Range(垂直范围)。用同样的方法可以操作其它模块；（如Mux 模块在Signal Routing中；Gain和Sum 模块在Math Operations中；PID组合模块在Simulink Extras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，就可以进行仿真，在Untitled窗口中，将光标移到Simulation菜单，按下鼠

标左键，打开子菜单，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），计算机开始仿真，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，打开子菜单，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环节中的微分部分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.σ、s t、p t、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、实验内容：

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.σs t p t 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，如下图2-1所示：

图2-1 二阶系统仿真模型

2、三阶系统，如下图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行仿真；

2）单击工具栏中的图标，开始仿真，观测在阶跃输入信号下，典型二阶系统的输出值

)( 0t

U。根据输出波形)(

0t

U调整“Gain”模块的增益，使)(

0t

U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σ，峰值时间p t，上升时间r t，调节时间s t及此时的增益值，分析系统参数对动态性能的影响；