自动控制理论实验讲义

实验一 控制系统时域分析

一、 实验目的

1、 掌握一阶系统和二阶系统的非周期信号响应。

2、 理解二阶系统的无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼响应。

3、 掌握分析系统的稳定性、瞬态过程和稳态误差。

4、 理解高阶系统的主导极点对系统特性的影响。

5、 理解系统的零点对系统动态特性的影响。

二、实验内容

1、 系统的闭环传递函数为：1

)(+=

TS K

S G ，分别调节 T 、 K ， 仿真系统的阶跃响应，得出不同的系统参数对系统性能的影响。

2、 单位负反馈系统的开环传递函数为：)

2(8

)(+=

S S S G ，求闭环系统的

单位阶跃响应，标出系统的ts,tr,tp 并计算最大超调量和稳态误差。

3、给定典型二阶系统的自然频率，仿真当

0.2,5.1,0.1,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0,3.0,2.0,1.0=n ω 时的单位阶跃响应，得出参数变化时

对系统性能的影响。

4、 开环系统的传递函数为)

200)(5(20000

)(++=

S S S S G ， 求其单位阶跃响应，

并比较与开环系统)

5(20000

)(+=

S S S G 的差别，得出相应的结论。

5、 比较下面两闭环系统的单位阶跃响应，分析零点对系统动态响应的影响。

105.210

)(2

++=

S S S G 10

5.2)

1.0(10)(2+++=S S S S G

三、实验步骤

1.启动控制理论仿真实验教学系统；

2.输入参数，查看系统阶跃响应与脉冲响应。

四、实验报告要求

1.在坐标纸上画出图形窗口显示的单位阶跃响应及单位脉冲响应。

2.分析仿真结果。

实验二 根轨迹分析

一、实验目的

1、熟练掌握用控制理论仿真实验教学系统绘制根轨迹的方法。

2、熟悉根据根轨迹分析系统的性能。

3、理解增加开环零点、极点对系统根轨迹及性能的影响。

二、实验内容

1、 单位负反馈控制系统的开环传递函数为 )

6)(4()(++=

S S S K

S G

(1) 试绘制系统的根轨迹，并确定临界增益的值。

(2) 若要求闭环系统单位阶跃响应的最大超调量σ%≤ 16.3 %，试确定开环增益K ，以及此系统分别在阶跃输入，单位速度输入和加速度输入情况下的稳态误差。

(3) 用鼠标选一点，使得该点增益下所有极点在s 左半平面，求其增益及闭环极点值，并画出其单位阶跃响应和单位斜坡响应曲线；

(4) 用鼠标在s 右半平面任选一点，使得该点增益下有极点在s 右半平面， 求其增益及闭环极点值，并画出其单位阶跃响应和单位斜坡响应。

(5)比较(3)与(4)的结果，并加以说明。 2、已知负反馈系统开环传函：)

25.33)(8()(2+++=

S S S K

S G

(1)试在根轨迹图上标注阻尼比为0.5和0.707的等阻尼线，并求对应的系 统的开环增益，闭环极点，最大超调量和调节时间。

(2)画出这两种情况下的单位阶跃的响应曲线，比较其结果。

三、实验步骤

1.启动控制理论仿真实验教学系统；

2.输入参数，查看系统根轨迹。

四、实验报告要求

1.在坐标纸上画出图形窗口显示的根轨迹图形。

2.分析仿真结果，完成实验内容中的思考题。

实验三 控制系统频域分析

一、实验目的

1、熟练绘制系统的Nyquist 和Bode 图。

2、熟练掌握频域法分析系统。

二、实验内容

1、已知单位负反馈系统的开环传递函数

)200)(100)(2)(1()3(240000)(2

+++++=

S S S S S S S G （1）绘制开环对数幅频特性曲线，判断系统稳定性 （2）求当输入为１(t)、t 、2t 时系统的稳态误差。

2、典型二阶系统2

22

2)(n

n n S S G ωζωω++=，绘制ωn ＝0.6时，ξ取不同值时的Bode 图。

3、负反馈系统开环传递函数为

)6)(4()(++=

S S S K

S G ，当k=1、3、5、 (15)

时，系统的奈氏曲线形状如何变化，分析k 对系统的稳定性有什么影响。

4、已知单位负反馈系统开环传递函数为)

1.2564.6)(5.0()

2(64)(2++++=

S S S S S S G

求系统的幅值裕度、相位裕度、和相应的交界频率，并判断稳定性。

三．实验步骤

1.启动控制理论仿真实验教学系统；

2.输入参数，查看频率特性图及系统裕度。

四．实验报告要求

1.在坐标纸上画出图形窗口显示的频率特性图及幅值裕度、相位裕度。

2.分析仿真结果，完成实验内容中的思考题。

实验四 线性系统校正

一、实验目的

熟练掌握用根轨迹法和频率法校正控制系统。

二、实验内容

1、被控制对象传递函数为)

20030(400

)(2

++=

S S S S G ，要求的技术指标是 ξ=0.5和wn ＝13.5rad/ s 用根轨迹几何设计法设计一串联校正装置，并绘制校正前后的阶跃响应曲线和Bode 图。根据实验，试说明校正前后系统的调节时间和超调量有何变化，相角裕度，增益穿越频率又有什么变化？

2、已知单位负反馈系统的开环传递函数为

)104.0()(+=

s S K

S G ，试设计串联

滞后校正装置，使系统指标满足单位斜坡输入信号时稳态误差e ss ≤1%，相位裕度γ≥45°，设计一串联滞后校正装置，绘制校正前后阶跃响应曲线和Bode 图。根据实验，试说明校正前后系统的调节时间和超调量有何变化，相角裕度，增益穿越频率又有什么变化？

三．实验步骤

1.启动控制理论仿真实验教学系统；

2.输入参数，查看校正前后系统性能指标的变化。

四．实验报告要求

1.在坐标纸上画出图形窗口显示的校正前后系统的根轨迹和频率特性图。

2.分析仿真结果，完成实验内容中的思考题。