自動控制原理實驗教案省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

自動控制原理試驗一線性系統(tǒng)時域分析MATLABsimulationandtimedomainanalysisoflinearsystem

1/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析一、試驗?zāi)繕?、掌握一階和二階系統(tǒng)非周期信號響應(yīng)。2、熟悉二階系統(tǒng)無阻尼、欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態(tài)。3、掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過程和靜態(tài)誤差。4、熟悉極點對高階系統(tǒng)性能影響。5、熟悉零點對高階系統(tǒng)性能影響。2/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析二、試驗內(nèi)容1、有一個系統(tǒng)其傳遞函數(shù)為，采取M文件和SIMULINK工具箱，觀察當T=1，K分別取0.01、0.1、1、10時單位階躍響應(yīng)，分析K對系統(tǒng)性能影響；觀察K=1，T分別取0.01、0.1、1、10時單位階躍響應(yīng)，分析T對系統(tǒng)性能影響。

2、有一個系統(tǒng)其單位負反饋傳遞函數(shù)為采取M文件或SIMULINK工具箱，觀察系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)時間ts、上升時間tr、過渡時間tp，并計算其超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差。3/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析二、試驗內(nèi)容3、有一個經(jīng)典二階系統(tǒng)，其ωn=8，觀察當ζ分別為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,1.0,1.5,2.0時單位階躍響應(yīng)，并分析ζ對系統(tǒng)性能影響。4、有兩個系統(tǒng)傳遞函數(shù)分別為和，比較二者單位階躍響應(yīng)，并分析結(jié)果。4/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析二、試驗內(nèi)容5、以下有兩個系統(tǒng)傳遞函數(shù)，經(jīng)過M文件或SIMULINK構(gòu)建模型，判定這兩個系統(tǒng)是否穩(wěn)定。5/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析三、試驗要求 1、獨立編寫程序或搭建仿真模型，實現(xiàn)各內(nèi)容要求。 2、統(tǒng)計各試驗內(nèi)容結(jié)果圖形。 3、分析結(jié)果圖形。 4、恪守試驗課紀律。

6/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析四、試驗說明

1、利用M文件構(gòu)建模型。例：已知一系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

完成以下工作：（1）求其單位閉環(huán)傳遞函數(shù)。（2）觀察其單位階躍響應(yīng)。（3）判定其是否穩(wěn)定7/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析源程序為：numg=[10]deng=[1210]sys1=tf(numg,deng)sys=feedback(sys1,1)pole(sys)t=[0:0.1:10][Y,T]=step(sys,t)[Y1,T]=step(sys1,t)plot(T,Y,T,Y1)gridon產(chǎn)生傳遞函數(shù)：10-----------------s^2+2s+10產(chǎn)生閉環(huán)傳遞函數(shù)：10-----------------s^2+2s+20求閉環(huán)傳遞函數(shù)極點求開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)繪制開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)波形圖8/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析2、利用SIMULINK構(gòu)建模型。9/37試驗一線性系統(tǒng)時域分析五、試驗匯報

1、試驗名稱 2、試驗?zāi)繕?3、試驗內(nèi)容 4、試驗結(jié)果 1〉M文件源程序或模型圖（包含模塊參數(shù)） 2〉生成各結(jié)果圖形。 5、試驗結(jié)果分析10/37自動控制原理試驗二系統(tǒng)頻域分析Analysisofthesystemfrequency11/37試驗二系統(tǒng)頻域分析一、試驗?zāi)繕?、掌握利用根極點分析系統(tǒng)性能方法。2、熟悉開環(huán)零極點對根軌跡和系統(tǒng)性能影響。3、掌握繪制Nyquist和Bode圖方法

。4、掌握系統(tǒng)頻域分析方法。12/37試驗二系統(tǒng)頻域分析二、試驗內(nèi)容1、已知一個系統(tǒng)其傳遞函數(shù)為試分析K*分別為0.1、1、10、100時，系統(tǒng)是否穩(wěn)定。并分別畫出在單位正反饋和單位負反饋時系統(tǒng)根軌跡圖。

2、已知一單位負反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：完成以下內(nèi)容：（1）畫出開環(huán)傳函Bode圖，并分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定，觀察相角裕量。（2）分析輸入信號分別為1(t),t,t2時穩(wěn)態(tài)誤差。13/37試驗二系統(tǒng)頻域分析二、試驗內(nèi)容3、經(jīng)典二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：繪制ωn=6，ζ分別為0.01,0.1,1,10時Bode圖。4、已知一個單位負反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：試繪出K分別為1、3、5、7…15時Nyquist

圖，并分析K對系統(tǒng)性能影響。14/37試驗二系統(tǒng)頻域分析二、試驗內(nèi)容5、已知一個單位負反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為： 繪制Bode圖，并觀察幅值裕度、相角裕度和穿越頻率。分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。15/37試驗二系統(tǒng)頻域分析三、試驗要求 1、獨立編寫程序或搭建仿真模型，實現(xiàn)各內(nèi)容要求。 2、統(tǒng)計各試驗內(nèi)容結(jié)果圖形。 3、分析結(jié)果圖形。 4、恪守試驗課紀律。

16/37試驗二系統(tǒng)頻域分析四、試驗說明

1、利用M文件繪制根軌跡、Nyquist和Bode圖。 例：已知一單位負反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

完成以下工作：（1）繪制系統(tǒng)根軌跡、Nyquist和Bode圖。（2）觀察幅值與相角裕度。17/37試驗二系統(tǒng)頻域分析源程序為：numg=[1]deng=[1211]sys1=tf(numg,deng)sys=feedback(sys1,1)figure(1)rlocus(sys)figure(2)bode(sys)[mag,phase,w]=bode(sys)[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(mag,phase,w)figure(3)nyquist(sys)產(chǎn)生傳遞函數(shù)：1---------------------s^3+2s^2+s+1產(chǎn)生閉環(huán)傳遞函數(shù)：1------------------------s^3+2s^2+s+2繪制根軌跡圖繪制Bode圖繪制Nyquist圖Usingthemarginfunction。Gm=gainmarginPm=phasemarginWcg=freq.forphase=-180Wcp=freq.forgain=0db18/37試驗二系統(tǒng)頻域分析五、試驗匯報

1、試驗名稱 2、試驗?zāi)繕?3、試驗內(nèi)容 4、試驗結(jié)果 1〉M文件源程序 2〉生成各結(jié)果圖形。 5、試驗結(jié)果分析19/37自動控制原理試驗三線性系統(tǒng)綜合校正SynthesisCorrectionofLinearSystem20/37試驗三線性系統(tǒng)綜合校正一、試驗?zāi)繕?、熟悉幾個校正步驟設(shè)計方法。2、了解和掌握相位超前和相位滯后控制校正步驟設(shè)計方法。3、掌握利用根軌跡和Bode圖設(shè)計校正步驟方法

。4、掌握PI控制器設(shè)計方法。21/37試驗三線性系統(tǒng)綜合校正二、試驗內(nèi)容1、控制系統(tǒng)如圖3.1所表示。利用根軌跡法設(shè)計校正步驟Gc(s)，輸入R(s)為單位階躍信號，加入校正步驟后應(yīng)到達以下指標要求：（1）穩(wěn)態(tài)誤差小于10%。（2）相角裕度大于45°。（3）穩(wěn)定時間小于5秒（超調(diào)小于2%）。Gc（s）－+R(s)Y(s)圖3.122/37試驗三線性系統(tǒng)綜合校正二、試驗內(nèi)容2、有一制導(dǎo)控制系統(tǒng)如圖3.2所表示。其中飛行器等效傳函G(s)=23/(s+23)，設(shè)PI控制器傳函為Gc(s)=Kp+Ki/s，現(xiàn)設(shè)計PI控制器，使得系統(tǒng)加入PI控制器后到達以下要求：（1）穩(wěn)定時間小于1秒（超調(diào)小于2%）。（2）對于單位斜坡輸入，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1。Gc（s）－+R(s)Y(s)圖3.223/37試驗三線性系統(tǒng)綜合校正三、試驗匯報

1、試驗名稱 2、試驗?zāi)繕?3、試驗內(nèi)容 4、試驗結(jié)果 1>M文件源程序(或模型圖) 2>設(shè)計過程和相關(guān)參數(shù)。 3>生成各結(jié)果圖形。 5、試驗結(jié)果分析24/37自動控制原理試驗四非線性系統(tǒng)仿真分析SimulationAnalysisofNonlinearSystems25/37試驗四非線性系統(tǒng)仿真分析一、試驗?zāi)繕?、熟悉幾個非線性步驟特征。2、了解分線性步驟對系統(tǒng)影響。3、掌握分析非線性系統(tǒng)方法

。26/37試驗四非線性系統(tǒng)仿真分析二、試驗內(nèi)容1、已知有一非線性系統(tǒng)如圖4.1所表示，觀察非線性步驟分別為三種經(jīng)典步驟（死區(qū)、飽和、滯環(huán)）時單位階躍響應(yīng)。2、已知有一非線性系統(tǒng)如圖4.2所表示，其中飽和步驟飽和值為5，觀察當R(t)=10時系統(tǒng)輸出。并與無非線性步驟系統(tǒng)輸出進行比較。圖4.1圖4.227/37試驗四非線性系統(tǒng)仿真分析二、試驗內(nèi)容3、已知有一包含滯環(huán)步驟非線性系統(tǒng)如圖4.3所表示。利用Simulink工具箱搭建系統(tǒng)模型，模型圖如圖4.4所表示，完成以下任務(wù)：1>分別繪制原始系統(tǒng)相平面圖和帶有百分比反饋系統(tǒng)相平面圖。2>經(jīng)過結(jié)果分析百分比反饋對含有滯環(huán)步驟非線性系統(tǒng)影響。圖4.3圖4.4注意：圖4.4藍色線所框部分為百分比反饋步驟。28/37試驗四非線性系統(tǒng)仿真分析三、試驗說明1、三種非線性步驟模塊在Simulink->Discontinuities工具箱中。各非線性步驟如圖所表示。2、微分步驟()在Simulink->Continuous工具箱中。29/37試驗四非線性系統(tǒng)仿真分析四、試驗匯報

1、試驗名稱 2、試驗?zāi)繕?3、試驗內(nèi)容 4、試驗結(jié)果 1>M文件源程序(或模型圖) 2>生成各結(jié)果圖形。 5、試驗結(jié)果分析30/37自動控制原理試驗五采樣系統(tǒng)分析SamplinSystemAnalysis31/37試驗五采樣系統(tǒng)分析一、試驗?zāi)繕?、掌握連續(xù)系統(tǒng)離散化方法。2、熟悉采取Matlab分析離散系統(tǒng)方法。

32/37試驗五采樣系統(tǒng)分析二、試驗內(nèi)容1、已知帶有零階保持器采樣控制系統(tǒng)如圖5.1所表示，觀察輸入為單位階躍輸入，采樣時間分別為0.01、0.05、0.1、0.5、1、1.5、2秒時系統(tǒng)輸出。并分析采樣時間對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響。

2、已知有一連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，設(shè)利用采樣和零階保持器對其離散化，采樣時間Ts=0.1s。觀察連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，并比較分析。圖5.133/37試驗五采樣系統(tǒng)分析二、試驗內(nèi)容3、已知有一離散系統(tǒng)開環(huán)傳函為采樣時間Ts=0.1s，試分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4、已知有一離散系統(tǒng)如圖5.2所表示，其中。設(shè)采樣時間Ts=0.5s，利用根軌跡圖，試分析要保持系統(tǒng)穩(wěn)定，增益系數(shù)K取值范圍。圖5.234/37試驗五采樣系統(tǒng)分析三、試驗說明1、利用M文件構(gòu)建離散系統(tǒng)。 例：已知一連續(xù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：采樣時間Ts=1，零階保持器傳遞函數(shù)為1>計算含有零階保持器離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)。2>觀察離散系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)。3>繪制離散系統(tǒng)根軌跡圖。35/37試驗五采樣系統(tǒng)分析源程序：num=[1];den=[110];sysc=tf(num,den)T=1sysd=c2d(sysc,T,'zoh')figure(