《自動控制理論A》

1、自動控制理論A實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書 張金芳 禹 梅 編華北電力大學(xué)二零零六 年 八 月前 言1 實(shí)驗(yàn)總體目標(biāo)能用MATLAB設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標(biāo)。 適用專業(yè)自動化 先修課程自動控制原理、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識 實(shí)驗(yàn)課時分配實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時實(shí)驗(yàn)一 控制系統(tǒng)的時域分析2實(shí)驗(yàn)二 控制系統(tǒng)的根軌跡分析2實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的頻域分析2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境（對實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、服務(wù)器、打印機(jī)、投影機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等配置及數(shù)量要求）要求實(shí)驗(yàn)室配備20臺以上的電腦，裝有Matlab軟件 實(shí)驗(yàn)總體要求能靈活應(yīng)用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真軟件，分析系統(tǒng)的性能。 本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)及教學(xué)方法

2、建議實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是掌握MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱應(yīng)用，難點(diǎn)：需要同學(xué)會編程序。建議同學(xué)除了參考Matlab書外，看一些C語言的書。目 錄實(shí)驗(yàn)一控制系統(tǒng)的時域分析4實(shí)驗(yàn)二控制系統(tǒng)的根軌跡分析與頻域分析5實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)的校正6實(shí)驗(yàn)一 控制系統(tǒng)的時域分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆杖绾芜\(yùn)用計(jì)算機(jī)的MATLAB軟件進(jìn)行時域分析二、 實(shí)驗(yàn)類型 綜合性三、 實(shí)驗(yàn)儀器計(jì)算機(jī) 四、實(shí)驗(yàn)原理一個動態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)常用典型輸入下的響應(yīng)來描述。響應(yīng)是指零初值條件下某種典型的輸入函數(shù)作用下對象的響應(yīng)。在MATLAB的控制工具箱中給出的階躍函數(shù)setp()的調(diào)用格式為：y,x=step(num,den,t)或y

3、,x=step(A，B，C，D,iu,t)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求（一）內(nèi)容1、 伺服系統(tǒng)的方框圖如圖所示，求d和e的值，使系統(tǒng)的階躍響應(yīng)滿足1）超調(diào)量大于30%2）峰值時間為0.6秒。C(s)R(s) + +2+es2、 求二階系統(tǒng) 在單位階躍輸入時系統(tǒng)時域響應(yīng)曲線。并記錄響應(yīng)曲線。編程求出，并與理論計(jì)算得出的結(jié)果比較是否一致。（二）要求1、 預(yù)習(xí)控制系統(tǒng)時域分析，并預(yù)先編制程序。2、 寫出實(shí)驗(yàn)報告，給出內(nèi)容1的實(shí)驗(yàn)程序、單位階躍響應(yīng)曲線和結(jié)果；給出內(nèi)容2的實(shí)驗(yàn)程序、單位階躍響應(yīng)曲線及相應(yīng)的，值。六、注意事項(xiàng)命令調(diào)用的格式不能隨意改寫七、思考題如何根據(jù)由不同輸入得出圖形來判別系統(tǒng)的性能？實(shí)驗(yàn)二 控

4、制系統(tǒng)的根軌跡分析與頻域分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)的MATLAB軟件進(jìn)行根軌跡分析2、 掌握如何用計(jì)算機(jī)MATLAB軟件工具進(jìn)行系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性的測試。二、實(shí)驗(yàn)類型 綜合性三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備計(jì)算機(jī)四、實(shí)驗(yàn)原理頻率特性函數(shù)是靜態(tài)下正弦輸出信號與正弦輸入信號的復(fù)數(shù)符號之比。從頻率特性圖象上可以很方便的得到關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的一些信息。因此，它是研究控制系統(tǒng)的一個重要工具。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求（一）內(nèi)容1、 已知開環(huán)傳遞函數(shù)為繪出閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡，并找出根軌跡與虛軸交點(diǎn)處的增益k值。2、 已知開環(huán)傳遞函數(shù)為繪出閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡。并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3、 編程實(shí)現(xiàn)慣性環(huán)節(jié)的頻率特性，編程

5、實(shí)現(xiàn)幅相頻率特性，對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻特性，繪制奈奎斯特圖和伯德圖。4、 編程實(shí)現(xiàn)振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性。，用MATLAB軟件編程仿真出振蕩環(huán)節(jié)的幅相頻率特性，對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻特性，繪制奈奎斯特圖和波德圖，增益相位裕度的伯德圖。并在同一極坐標(biāo)圖和伯德圖中繪制不同下的響應(yīng)曲線。（要獲得轉(zhuǎn)角頻率、諧振頻率等關(guān)鍵點(diǎn)的值。）（二）要求1、預(yù)習(xí)根軌跡的繪制的方法，編制相應(yīng)實(shí)現(xiàn)的MATLAB程序。2、在理論上畫出實(shí)驗(yàn)中慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)相應(yīng)的幅相頻率特性，對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻特性，繪制奈奎斯特圖和伯德圖；并預(yù)先編制實(shí)現(xiàn)的MATLAB程序。3、寫出實(shí)驗(yàn)報告，對于內(nèi)容（一）寫出實(shí)現(xiàn)的MATLAB程序；給出給定系統(tǒng)的

6、根軌跡圖，并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)；對于內(nèi)容（二）給出出慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)程序及各實(shí)驗(yàn)曲線；將實(shí)驗(yàn)結(jié)果同理論估計(jì)的結(jié)果相比較，若不同分析其原因；根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線能得到哪些結(jié)論（穩(wěn)定性、增益方面的）。六、注意事項(xiàng)命令調(diào)用的格式不能隨意改寫七、思考題如何利用Bode圖來分析系統(tǒng)的增益裕度、相位裕度、及其穩(wěn)定性？實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過對控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正，了解校正裝置在控制系統(tǒng)中的作用。2. 掌握如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)的MATLAB軟件進(jìn)行頻率校正；3. 掌握在頻域根據(jù)伯德定理進(jìn)行串聯(lián)校正的方法；4. 進(jìn)一步理解時域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)類型設(shè)計(jì)性三、實(shí)驗(yàn)儀器

7、計(jì)算機(jī)四、實(shí)驗(yàn)原理通過在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或者裝置，使系統(tǒng)的整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求（一）內(nèi)容實(shí)驗(yàn)方框圖如上圖所示其中校正裝置分別為：校正裝置滯后校正裝置遲后超前校正裝置（二）要求1、 在給定下求出閉環(huán)，并編程實(shí)現(xiàn)繪制其階躍響應(yīng)曲線。2、 編程繪制出的伯德圖。3、 根據(jù)伯德圖和性能指標(biāo)的要求，求校正裝置的傳遞函數(shù)。4、 繪制校正后的伯德圖是否符合頻域指標(biāo)，如果不符合重新選，然后重新進(jìn)行第4步，直至符合頻域要求。5、 求得校正后閉環(huán)傳遞函數(shù)，然后根據(jù)其時域指標(biāo)是否符合要求，如不符合重新進(jìn)行3、4、5步，直至符合時域指標(biāo)要求為止。6、 繪制校正后的階躍響應(yīng)曲線。六、注意事項(xiàng)命令調(diào)用的格式不能隨意改寫七、思考題1、給出各步驟所需實(shí)驗(yàn)程序。2、給出各步驟所得