1、-自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自動(dòng)化工程系自動(dòng)化教研室編寫2021-8-17目 錄實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)仿真研究1實(shí)驗(yàn)二典型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性分析4實(shí)驗(yàn)三系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析6實(shí)驗(yàn)四控制系統(tǒng)的根軌跡分析9實(shí)驗(yàn)五控制系統(tǒng)的頻率特性分析12實(shí)驗(yàn)六PID調(diào)節(jié)器的作用及其參數(shù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響15附錄： MATLAB 6.5 的使用17. z-實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)仿真研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過實(shí)驗(yàn)熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線、斜坡響應(yīng)曲線，傳遞函數(shù)及其特性；2、研究分析參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)容：1、應(yīng)用MATLAB仿真軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種典型環(huán)節(jié)階躍、斜坡信號(hào)的輸入，用仿真示波器觀測(cè)并記錄各種典型環(huán)

2、節(jié)的階躍、斜坡響應(yīng)曲線；2、修改各典型環(huán)節(jié)的參數(shù)，觀測(cè)參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的影響,測(cè)試并記錄響應(yīng)的數(shù)據(jù)。三、實(shí)驗(yàn)原理1、慣性環(huán)節(jié)(一階環(huán)節(jié))仿真，如以下圖1-1所示：圖1-1.1 可觀察輸入輸出兩條曲線。圖1-1.2 只能觀察輸出曲線。注：將圖中的輸入信號(hào)模塊step 模塊更換為Ramp模塊既可觀察斜坡響應(yīng)曲線。2、二階環(huán)節(jié)仿真，如以下圖1-2所示：圖1-2 二階振蕩環(huán)節(jié)仿真模型圖3、積分環(huán)節(jié)仿真，如圖1-3所示：圖1-3 積分環(huán)節(jié)仿真模型圖4、比例+積分環(huán)節(jié)仿真，如圖1-4所示：圖1-4 比例+積分環(huán)節(jié)仿真模型5、比例+微分環(huán)節(jié)仿真，如以下圖1-5所示：圖1-5 比例+微分環(huán)節(jié)仿真模型

3、6、比例+積分+微分環(huán)節(jié)仿真，如以下圖1-6所示：圖1-6 比例+積分+微分環(huán)節(jié)仿真四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、進(jìn)入WINDOWS操作系統(tǒng)；2、進(jìn)入MATLAB MAND WINDOW(雙擊桌面上的MATLAB圖標(biāo)進(jìn)入)；3、進(jìn)入 SIMULINK 窗口(在 MATLAB MAND WINDOW 窗口中,鍵入 SIMULINK 后按回車鍵) 或單擊工具欄中的 圖標(biāo)；4、移動(dòng)鼠標(biāo)到FILE 菜單,單擊鼠標(biāo)左鍵,翻開FILE 菜單的子菜單；5、點(diǎn)擊 NEW -(MODEL)，建立一個(gè)新的系統(tǒng)窗口MODEL窗口；6、參照第三局部的原理圖，用鼠標(biāo)將左邊Simulink Library Browser窗口中的各個(gè)

4、模塊拖動(dòng)到右邊的MODEL窗口；方法如下：1） 移動(dòng)光標(biāo)到Sources 模塊，點(diǎn)擊后出現(xiàn)Sources 模塊的容，將該模塊中的Step F(階躍信號(hào))選中，然后按住鼠標(biāo)左鍵將其拖到Untitled窗口；2） 在Untitled窗口中，將光標(biāo)移到Step F模塊雙擊鼠標(biāo)左鍵產(chǎn)生屬性對(duì)話框，在該對(duì)話框中可以選擇階躍起始時(shí)間，初始值和階躍值；3） SIMULINK窗口中的Continuous模塊翻開，將Transfer F(傳遞函數(shù))模塊移到Untitled窗口中；4） 在Untitled窗口中,將鼠標(biāo)移動(dòng)到Transfer F模塊雙擊鼠標(biāo)左鍵產(chǎn)生屬性對(duì)話框，在該對(duì)話框中可以設(shè)置傳遞函數(shù)的分子、分

5、母多項(xiàng)式的系數(shù)；5） 將SIMULINK窗口中的Sinks模塊翻開，將Scope示波器模塊移到Untitled窗口；6） 將鼠標(biāo)移動(dòng)到Scope模塊，雙擊鼠標(biāo)左鍵產(chǎn)生屬性對(duì)話框，在該對(duì)話框中可以選擇Horizontal Range(水平圍)和Vertical Range(垂直圍)。用同樣的方法可以操作其它模塊；如Mu* 模塊在Signal Routing中；Gain和 Sum 模塊在Math Operations中；PID組合模塊在Simulink E*tras下的Additional Linear中；正弦波信號(hào)模塊在Source中；非線性模塊在Discontinuities中7、模塊連接，將

6、光標(biāo)移到一個(gè)模塊的輸出端(>)按下鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)到另一個(gè)模塊的輸入端(>)，松開鼠標(biāo)左鍵就可以完成兩個(gè)模塊的連接；8、模塊連接好后，就可以進(jìn)展仿真，在Untitled窗口中，將光標(biāo)移到Simulation菜單，按下鼠標(biāo)左鍵，翻開子菜單，將高亮菜單條移到Start并單擊鼠標(biāo)左鍵或單擊工具欄中的 圖標(biāo)，計(jì)算機(jī)開場(chǎng)仿真，示波器可顯示出仿真曲線。9、仿真時(shí)間的設(shè)定，在Untitled窗口中，將光標(biāo)移到Simulation菜單，按下鼠標(biāo)左鍵，翻開子菜單，將高亮菜單條移到Simulation Parameters并單擊鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)對(duì)話框，即可修改仿真時(shí)間。10、重復(fù)步驟4至8，完成其它環(huán)節(jié)

7、的仿真，并做好記錄。五、思考題：1、慣性環(huán)節(jié)在什么情況下可近似比例環(huán)節(jié)?而在什么情況下可近似為積分環(huán)節(jié)?2、慣性環(huán)節(jié)與不振蕩的二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線有何不同.3、將PID環(huán)節(jié)中的微分局部改為不完全微分形式，曲線形狀如何.實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簂、學(xué)習(xí)和掌握動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法(如、n 等)；2、研究典型系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)容：l、觀測(cè)不同參數(shù)下二階、三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，測(cè)試出時(shí)域性能指標(biāo)(如 n 等)，并分析其參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響；2、觀測(cè)增益對(duì)三階系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，找出臨界穩(wěn)定的增益值。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、二階系統(tǒng)，如以下圖2

8、-1所示：圖2-1 二階系統(tǒng)仿真模型2、三階系統(tǒng)，如以下圖2-2所示：圖2-2 二階系統(tǒng)仿真模型四、實(shí)驗(yàn)步驟：利用MATLAB中的Simulink仿真軟件。1、典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的測(cè)試。1參考實(shí)驗(yàn)一，建立如圖(2-1)所示的實(shí)驗(yàn)方塊圖進(jìn)展仿真；2單擊工具欄中的 圖標(biāo)，開場(chǎng)仿真，觀測(cè)在階躍輸入信號(hào)下，典型二階系統(tǒng)的輸出值。根據(jù)輸出波形調(diào)整“Gain模塊的增益，使的波形呈現(xiàn)衰減比n:1分別為4:1和10:1時(shí)的衰減振蕩狀態(tài)。然后記錄超調(diào)量，峰值時(shí)間，上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間及此時(shí)的增益值，分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響；3調(diào)整“Gain模塊的增益，使呈現(xiàn)臨界振蕩時(shí)的波形，記錄此時(shí)“Gain模塊的增益

9、值，與計(jì)算的理論值相比擬。2、典型三階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的測(cè)試及穩(wěn)定性分析。1在典型二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方塊圖的根底上，將對(duì)象串聯(lián)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，重新連接模塊，建立如圖(2-2)所示的實(shí)驗(yàn)方塊圖進(jìn)展仿真；2、單擊工具欄中的 圖標(biāo)，開場(chǎng)仿真，觀測(cè)階躍輸入信號(hào)下典型三階系統(tǒng)的輸出值，根據(jù)的波形，調(diào)整“Gain模塊的增益，使的波形呈現(xiàn)2:1衰減振蕩狀態(tài)。然后記錄超調(diào)量，峰值時(shí)間，上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間及此時(shí)的“Gain模塊的增益值，分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響；3、調(diào)整“Gain模塊的增益，觀測(cè)系統(tǒng)輸出值的波形，使的波形呈現(xiàn)等幅震蕩狀態(tài)，然后記錄“Gain模塊的增益值，與計(jì)算的臨界穩(wěn)定時(shí)的理論值相比擬；4、調(diào)整Ga

10、in 模塊的增益，觀測(cè)系統(tǒng)輸出值的波形，使的波形呈現(xiàn)發(fā)散震蕩狀態(tài)，分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。五、思考題：1、有那些措施能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定程度.它們對(duì)系統(tǒng)的性能還有什么影響?2、將二階系統(tǒng)的增益調(diào)得很大，系統(tǒng)是否會(huì)不穩(wěn)定.3、系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的改變，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性有何影響.實(shí)驗(yàn)三 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解系統(tǒng)開環(huán)增益和系統(tǒng)型別對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的影響；2、了解輸入信號(hào)的形式和幅值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的影響；3、分析擾動(dòng)作用下對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的影響；4、研究減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施。二、實(shí)驗(yàn)容：1、分別觀測(cè)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、加速度信號(hào)時(shí)，不同系統(tǒng)型別穩(wěn)態(tài)誤差的變化情況；2、對(duì)有差

11、系統(tǒng)，增大或減小系統(tǒng)的開環(huán)增益，觀察系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的變化；3、改變輸入信號(hào)的幅值，觀察系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的變化；4、觀測(cè)有擾動(dòng)作用時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的變化；5、采取一種措施消除階躍擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、階躍輸入信號(hào)作用于0型系統(tǒng)，如以下圖3-1所示：圖3-1 階躍輸入信號(hào)作用于0型系統(tǒng)的仿真模型2、斜坡輸入信號(hào)作用于型系統(tǒng)，如以下圖3-2所示： 圖3-2 斜坡輸入信號(hào)作用于型系統(tǒng)的仿真模型3、加速度輸入信號(hào)作用于型系統(tǒng)，如以下圖3-3所示：圖3-3 加速度輸入信號(hào)作用于型系統(tǒng)的仿真模型4、擾動(dòng)信號(hào)作用下的系統(tǒng)，如以下圖3-4所示：圖3-4 擾動(dòng)信號(hào)作用下的系統(tǒng)的仿真模型四、實(shí)驗(yàn)步驟：利用M

12、ATLAB中的Simulink仿真軟件。1、參照實(shí)驗(yàn)一的步驟，建立如圖(3-1)所示的實(shí)驗(yàn)方塊圖進(jìn)展仿真；2、單擊工具欄中的 圖標(biāo)，開場(chǎng)仿真，觀測(cè)在階躍輸入信號(hào)作用下， 0型系統(tǒng)的輸出曲線和誤差曲線，記錄此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差值，并與理論計(jì)算值相比擬；3、有誤差時(shí)，調(diào)整“Gain模塊的增益，觀察穩(wěn)態(tài)誤差的變化，分析系統(tǒng)開環(huán)增益對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響；4、有誤差時(shí)，調(diào)整輸入信號(hào)的幅值，觀察穩(wěn)態(tài)誤差的變化，分析輸入信號(hào)的大小對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的影響；5、將對(duì)象分別更換為型和型系統(tǒng)，觀察在階躍輸入信號(hào)作用下，型和型系統(tǒng)的輸出曲線和誤差曲線，記錄此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差值；6、更換輸入信號(hào)的形式為斜坡信號(hào)，參考圖(3-2)所示的實(shí)驗(yàn)

13、方塊圖，重復(fù)步驟24，分別觀測(cè)0型、型和型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；7、再將輸入信號(hào)的形式更換為加速度信號(hào)，參考圖(3-3)所示的實(shí)驗(yàn)方塊圖，重復(fù)步驟24，分別觀測(cè)0型、型和型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；8、在擾動(dòng)信號(hào)作用下，仿真實(shí)驗(yàn)方塊圖如圖(3-4)所示，輸入階躍擾動(dòng)信號(hào)，觀測(cè)系統(tǒng)的輸出曲線和誤差曲線，記錄此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差值，并與計(jì)算的理論值相比擬；9、調(diào)整“Gain模塊的增益，觀察穩(wěn)態(tài)誤差有無變化；10、再調(diào)整“Gain1模塊的增益，觀察穩(wěn)態(tài)誤差有無變化；11、在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前增加積分環(huán)節(jié)消除階躍擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。五、思考題：1、控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與什么有關(guān)?2、怎樣減小或消除擾動(dòng)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差.3、擾動(dòng)

14、作用點(diǎn)之后的積分環(huán)節(jié)對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差有無影響.實(shí)驗(yàn)四 控制系統(tǒng)的根軌跡分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)利用MATLAB語言繪制控制系統(tǒng)根軌跡的方法；2、學(xué)習(xí)利用根軌跡分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性。二、實(shí)驗(yàn)容：1、應(yīng)用MATLAB語句畫出控制系統(tǒng)的根軌跡；2、求出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，增益K的圍；3、實(shí)驗(yàn)前利用圖解法畫出系統(tǒng)的根軌跡，算出系統(tǒng)穩(wěn)定的增益圍，與實(shí)測(cè)值相比擬；4、應(yīng)用SIMULINK仿真工具，建立閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方塊圖進(jìn)展仿真。觀察不同增益下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，觀察閉環(huán)極點(diǎn)全部為實(shí)數(shù)時(shí)響應(yīng)曲線的形狀；有共軛復(fù)數(shù)時(shí)響應(yīng)曲線的形狀實(shí)驗(yàn)方法參考實(shí)驗(yàn)二；5、分析系統(tǒng)開環(huán)零點(diǎn)和極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。三、實(shí)驗(yàn)原理：根軌跡分

15、析法是由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布情況畫出系統(tǒng)閉環(huán)根軌跡，從而確定增益K的穩(wěn)定圍等參數(shù)。假定*閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：利用MATLAB的以下語句即可畫出該系統(tǒng)的根軌跡。b=1 1； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分子系數(shù)向量a1=l 0； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第一項(xiàng)的系數(shù)a2=l -1； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第二項(xiàng)的系數(shù)a3=l 4 16； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第三項(xiàng)的系數(shù)a=conv(al，a2)； 開環(huán)傳遞函數(shù)分母第一項(xiàng)和第二項(xiàng)乘積的系數(shù)a=conv(a，a3)； 分母第一項(xiàng)、第二項(xiàng)和第三項(xiàng)乘積的系數(shù)rlocus(b,a)； 繪制根軌跡，如圖4-l所示p=1.5i ； p為離根軌跡較近的虛

16、軸上的一個(gè)點(diǎn)。 k，poles=rlocfind(b，a，p) 求出根軌跡上離p點(diǎn)很近的一個(gè)根及所對(duì)應(yīng)的增益K和其它三個(gè)根。K=22.5031， poles= -1.5229+2.7454i -1.5229-2.7454i 0.0229+1.5108i 0.0229-1.5108i 再令p=1.5108i，可得到下面結(jié)果：k=22.6464， poles=-1.5189+2.7382i -1.5189-2.7382i 再以此根的虛部為新的根，重復(fù)上述步驟，幾步后可得到下面的結(jié)果：k=23.316， poles=-1.5000+2.7040i -1.5000-2.7040i 這就是根軌跡由右半平

17、面穿過虛軸時(shí)的增益及四個(gè)根。這時(shí)增益的臨界值為23.3160，用同樣的方法可得到根軌跡由左半平面穿過虛軸時(shí)的增益和四個(gè)根如下：k=35.6853 poles= 0.0000+2.5616i 0.0000-2.5616i 增益的另一個(gè)臨界值為35.6853 , 由此可得增益的穩(wěn)定圍為：23.3160<K<35.6853四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、進(jìn)入WINDOWS操作系統(tǒng)將上述MATLAB語句寫入命令行執(zhí)行，或編寫成一個(gè)file.m文件，在MATLAB命令行提示符>>處鍵入文件名，執(zhí)行(按Enter鍵)，即可畫出根軌跡圖；2、進(jìn)入MATLAB MAND WINDOW(雙擊桌面圖標(biāo)進(jìn)

18、入)；3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中提供的方法，4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中提供的開環(huán)傳遞函數(shù)，用SIMULINK仿真工具，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)方塊圖。觀察不同增益下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)觀察閉環(huán)極點(diǎn)全部為實(shí)數(shù)時(shí)響應(yīng)曲線的形狀；有共軛復(fù)數(shù)時(shí)響應(yīng)曲線的形狀，記錄不同增益下的階躍響應(yīng)曲線5、增加適當(dāng)?shù)拈_環(huán)零點(diǎn)開環(huán)極點(diǎn)觀察根軌跡的變化。6、將系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)改為：重復(fù)上述步驟，繪出該系統(tǒng)的根軌跡圖。觀察閉環(huán)極點(diǎn)為實(shí)根時(shí)響應(yīng)曲線的形狀，有共軛復(fù)根時(shí)響應(yīng)曲線的形狀。改變開環(huán)極點(diǎn)的位置，觀察根軌跡圖的變化，參見圖4-2。7、再將系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)改為：將a取不同值，改變極點(diǎn)位置，分別確定使根軌跡具有一個(gè)、兩個(gè)和沒有實(shí)數(shù)別離點(diǎn)的 a值圍，確定極點(diǎn)a值

19、的穩(wěn)定圍，并繪出根軌跡圖，參見圖4-3。提示：該系統(tǒng)別離點(diǎn)方程的解為：a=9時(shí)，根軌跡有一個(gè)別離點(diǎn)，a>9時(shí)，根軌跡有兩個(gè)別離點(diǎn)，0<a<9時(shí)，根軌跡沒有別離點(diǎn)。a的穩(wěn)定圍是a>1。五、思考題：1、控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)在根平面上該怎樣表示?2、利用圖解法繪制根軌跡的8個(gè)規(guī)則是什么?3、閉環(huán)極點(diǎn)為實(shí)根時(shí)響應(yīng)曲線的形狀如何.有共軛復(fù)根時(shí)響應(yīng)曲線的形狀如何.4、增加系統(tǒng)的開環(huán)零點(diǎn)開環(huán)極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的性能有何影響.實(shí)驗(yàn)五 控制系統(tǒng)的頻率特性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)測(cè)量系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))頻率特性曲線的方法和技能；2、學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得頻率特性的曲線求取傳遞函數(shù)的方法；3、學(xué)習(xí)利用MATLA

20、B語言繪制波特圖和奈奎斯特圖的方法；4、學(xué)習(xí)利用波特圖和奈奎斯特圖判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性和求增益裕量和相位裕量的方法。二、實(shí)驗(yàn)容：1、對(duì)系統(tǒng)分別輸入不同頻率的正弦波信號(hào)，觀測(cè)記錄輸入輸出曲線；2、用編程的方法繪制伯德圖和奈奎斯特圖，測(cè)量并記錄模擬系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性及數(shù)據(jù)；3、判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)Bode圖求開環(huán)傳遞函數(shù)、增益裕量和相位裕量；4、畫出開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線(即Bode圖)及奈奎斯特圖，與實(shí)驗(yàn)所得圖形進(jìn)展比擬。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、利用SIMULINK對(duì)控制系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)展分析的原理：1對(duì)控制系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)展分析，其原理圖如以下圖5-1所示：圖5-1 控制系統(tǒng)頻率特性分析的仿真模型2

21、、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)上述開環(huán)系統(tǒng)等效為以下系統(tǒng)：則當(dāng) 時(shí) 其中 當(dāng)*(t)=0時(shí), 即當(dāng) 時(shí),當(dāng)G(s)為滯后環(huán)節(jié)時(shí)有： 或 由以下的薩如圖形量出2Ym， 2yo， 2*m即可計(jì)算出及。薩如圖形與的對(duì)應(yīng)關(guān)系：2、利用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)展頻率特性分析：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：利用以下的MATLAB語句即可畫出該系統(tǒng)的伯德圖和奈奎斯特圖。b=2； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分子系數(shù)向量；a1=0.6 1 ； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第一項(xiàng)的系數(shù)；a2=0.2 1 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第二項(xiàng)的系數(shù)；a3= 0.06 1 確定開壞傳遞函數(shù)的分母第三項(xiàng)的系數(shù)；a=conv(a1，a2)； 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第一項(xiàng)和

22、第二項(xiàng)乘積的系數(shù)；a=conv( a，a3 )； % 確定開環(huán)傳遞函數(shù)的分母第一項(xiàng), 第二項(xiàng)和第三項(xiàng)乘積的系數(shù)；margin( b,a ) % 畫出伯德圖；畫伯德圖時(shí)，下一語句去掉；nyquist( b,a ) % 畫奈奎斯特圖；畫奈奎斯特圖時(shí)，上一語句去掉。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、進(jìn)入WINDOWS操作系統(tǒng)；2、進(jìn)入MATLAB MAND WINDOW(雙擊桌面上的MATLAB圖標(biāo)進(jìn)入)；3、進(jìn)入 SIMULINK 窗口(在 MATLAB MAND WINDOW窗口中，鍵入 SIMULINK 后按回車鍵) 或雙擊工具欄中的圖標(biāo)；4、參考實(shí)驗(yàn)一，按圖5-1連接好方塊圖；5、在圖中雙擊Sine Wav

23、e圖標(biāo)，出現(xiàn)對(duì)話框，分別輸入頻率為=0.01, 1 , 2.4, 3.5, 5, 11, 15 radsec等的正弦波信號(hào)，觀測(cè)記錄輸入輸出薩如圖形，并記錄諸頻率下的：, 及值；6、在MATLAB MAND WINDOWS窗口中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中提供的編程方法, 將MATLAB語句寫入命令行執(zhí)行，或編寫成一個(gè)file.m文件，在MATLAB命令行提示符>>處鍵入文件名，執(zhí)行(按Enter鍵)，畫出伯德圖；7、在MATLAB MAND WINDOWS窗口中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中提供的編程方法，畫出奈奎斯特圖。五、思考題：1、傳遞函數(shù)概念適用于什么系統(tǒng)?2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得頻率特性曲線怎樣求傳遞函

24、數(shù).3、利用波特圖和奈奎斯特圖怎樣判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和求增益裕量、相位裕量.實(shí)驗(yàn)六 PID調(diào)節(jié)器的作用及其參數(shù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解和觀測(cè)PID根本控制規(guī)律的作用，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性及穩(wěn)定性的影響；2、驗(yàn)證調(diào)節(jié)器各參數(shù)(Kc，Ti，Td), 在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的功能和對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響。二、實(shí)驗(yàn)容：1、分別對(duì)系統(tǒng)采取比例(P)、比例微分(PD)、比例積分(PI)、比例積分微分(PID)控制規(guī)律，通過觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)各性能的變化情況；2、觀測(cè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)擾動(dòng)作用時(shí)在各調(diào)節(jié)規(guī)律下的響應(yīng)曲線；3、觀測(cè)調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的影響。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、參

25、考輸入量給定值作用時(shí)，系統(tǒng)連接如以下圖6-1所示：圖 6-1 參考輸入時(shí)系統(tǒng)仿真模型2、擾動(dòng)信號(hào)作用時(shí)，系統(tǒng)連接如以下圖6-2所示：圖6-2 擾動(dòng)信號(hào)時(shí)系統(tǒng)仿真模型四、實(shí)驗(yàn)步驟：利用MATLAB中的Simulink仿真軟件。1、參考實(shí)驗(yàn)一，建立如圖(6-1)所示的實(shí)驗(yàn)原理圖；2、將鼠標(biāo)移到原理圖中的PID模塊進(jìn)展雙擊，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定對(duì)話框，將PID控制器的積分增益和微分增益改為0，使其具有比例調(diào)節(jié)功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展純比例控制；3、單擊工具欄中的 圖標(biāo)，開場(chǎng)仿真，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)性能；調(diào)整比例增益，觀察響應(yīng)曲線的變化，分析系統(tǒng)性能的變化；4、重復(fù)步驟2-3，將控制器的功能改為比例微分控制

26、，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例微分控制的作用；5、重復(fù)步驟2-3，將控制器的功能改為比例積分控制，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分控制的作用；6、重復(fù)步驟2-3，將控制器的功能改為比例積分微分控制，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分微分控制的作用；7、參照實(shí)驗(yàn)一的步驟，繪出如圖(6-2)所示的方塊圖；8、將PID控制器的積分增益和微分增益改為0，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展純比例控制。不斷修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=4，記下此時(shí)的比例增益值；9、修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=2，記下此時(shí)的比例增益值。10、修改比例增益，使系統(tǒng)輸出呈臨界振蕩波形,記下此時(shí)的比例增益值；11

27、、將PID控制器的比例、積分增益進(jìn)展修改，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展比例積分控制。不斷修改比例、積分增益,使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=2，4，10，記下此時(shí)比例和積分增益；12、將PID控制器的比例, 積分, 微分增益進(jìn)展修改，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展比例、積分、微分控制。不斷修改比例、積分、微分增益，使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=2、4、10記下此時(shí)的比例、積分、微分增益值。五、思考題：1、比例微分控制規(guī)律對(duì)改變系統(tǒng)的性能有什么作用.2、比例積分控制規(guī)律對(duì)改變系統(tǒng)的性能有什么作用.3、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)與隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)其響應(yīng)曲線有何區(qū)別?附錄： MATLAB 6.5 的使用1、簡(jiǎn)介MATLAB 語言是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)

28、界 (尤其是自動(dòng)控制領(lǐng)域) 最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算，并已經(jīng)開展成一種高度集成的計(jì)算機(jī)語言。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其他程序和語言接口的功能。MATLAB 語言在各國(guó)高校與研究單位起著重大的作用2、根底準(zhǔn)備及入門在MATLAB成功安裝后，會(huì)在windows桌面上自動(dòng)生成MATLAB的快捷方式圖標(biāo)。點(diǎn)擊桌面快捷方式圖標(biāo)，就可以翻開圖2.1的操作界面。注意，桌面上窗口的多少與設(shè)置無關(guān)，圖2.1所示為缺省情況，前臺(tái)有三個(gè)窗口。圖2.1 操作桌面的缺省外貌MATLAB默認(rèn)的用戶桌面包括以下幾個(gè)交互界面。l 命令窗口man

29、d Window該窗口缺省地處在MATLAB桌面地右側(cè)。該窗口是進(jìn)展各種MATLAB操作地主要窗口。在該窗口，可鍵入各種MATLAB的命令、函數(shù)、表達(dá)式等。顯示除圖形外的所有運(yùn)算結(jié)果。l 命令歷史窗口mand History該窗口缺省地處在MATLAB桌面地左下方前臺(tái)。該窗口記錄已經(jīng)運(yùn)行過地命令、函數(shù)、表達(dá)式等；允許用戶對(duì)它們進(jìn)展選擇復(fù)制、重運(yùn)行、及產(chǎn)生M文件。l 工作空間管理窗口Workspace該交互界面缺省地位于MATLAB桌面地左上方后臺(tái)。該窗口列出MATLAB工作空間中所有地變量名、大小、字節(jié)數(shù)等；該窗口中，可對(duì)變量進(jìn)展觀察、編輯、提取和保存。l 當(dāng)前路徑窗口Current Dire

30、ctory該交互界面缺省地位于MATLAB桌面地左上方后臺(tái)。在此交互界面中，可以進(jìn)展當(dāng)前目錄地設(shè)置；展示相應(yīng)目錄上地M、MDL等文件；復(fù)制、編輯和運(yùn)行M文件；裝載MAT數(shù)據(jù)文件。3、SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境SIMULINK是一個(gè)進(jìn)展動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。3.1 SIMULINKK 啟動(dòng)與界面說明在MATLAB命令窗口上鍵入Simulink命令(注意大小寫)然后按回車鍵；或選擇工具欄上的圖標(biāo)均可進(jìn)入Simulink瀏覽器圖3.1由圖3-1可見，與Simulink并列的還有14項(xiàng)

31、作為Simulink瀏覽器中的第一層目錄。選中第1項(xiàng)Simulink后，下級(jí)有8項(xiàng)子目錄即是Simulink 3.0提供的13類根本模塊：Continuous(連續(xù)系統(tǒng)模塊)、Discontinuous(非連續(xù)系統(tǒng)模塊)、Discrete(離散系統(tǒng)模塊)、Look-Up Tables()、 Math Operations(數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊)、Model Verification()、Model-Wide Utilities()、Ports&Subsystems()、Singal Attributes(信號(hào)屬性)、Singal Routing(信號(hào)路由)、Sinks(輸出模塊)、Source

32、s(輸入源模塊)、User-Defined Functions(用戶定義功能)等標(biāo)準(zhǔn)模塊庫。圖3.1 Simulinkk庫瀏覽器3.2仿真模型的創(chuàng)立創(chuàng)立一個(gè)系統(tǒng)仿真模型就像搭積木一樣，翻開創(chuàng)立模型窗口，首先從相應(yīng)的模塊庫中選出所需要的仿真模塊，用鼠標(biāo)把它們依次拖到窗口。然后用信號(hào)線把各個(gè)模塊按照系統(tǒng)要求連接起來，組成所需要的系統(tǒng)仿真模型。點(diǎn)擊“新建圖標(biāo)，翻開一個(gè)名為untitled的空白模型窗口，如圖3.2.圖3.2 Simulink的新建模型窗3.2.1 仿真模塊仿真模塊是創(chuàng)立SIMULINK仿真模型的根本單元，是SIMULINK進(jìn)展動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的根底。1創(chuàng)立一個(gè)仿真模塊翻開模塊庫之后，可以

33、通過以下兩種方法之一來創(chuàng)立一個(gè)仿真模塊：用鼠標(biāo)左鍵選中所需要的模塊，然后將其拖到需要?jiǎng)?chuàng)立仿真模型的窗口，松開鼠標(biāo)，這時(shí)所需要的模塊講出現(xiàn)在仿真模型窗口中，如圖3.3所示。利用鼠標(biāo)右鍵來完成仿真模塊的創(chuàng)立：首先選中所需要的模塊，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Add to file_name 命令(其中file_name是仿真模型的文件名)，這樣，仿真模塊也將出現(xiàn)在file_name窗口中。圖3.3 模型創(chuàng)立中的創(chuàng)立模塊2.模塊的復(fù)制操作如果需要完成對(duì)仿真模塊的復(fù)制操作，可以通過以下方法之一來實(shí)現(xiàn)：選中所需要復(fù)制的仿真模塊，在按下Ctrl鍵的同時(shí)按住鼠標(biāo)左鍵將模塊拖到目標(biāo)位置后釋放鼠標(biāo)；

34、選中所需要復(fù)制的仿真模塊，在菜單欄中執(zhí)行Edit/Copy命令。3.模塊的移動(dòng)操作在仿真模型窗口中，如果想講一個(gè)仿真模塊從原來的位置移動(dòng)到一個(gè)新的位置，只需要選中模塊，然后用鼠標(biāo)左鍵將模塊拖到目標(biāo)位置即可，而與之相連接的信號(hào)線，則由SIMULINK自動(dòng)重新繪制。4.模塊的刪除操作如果需要實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真模塊的刪除操作，可以通過以下方法之一來實(shí)現(xiàn)：選中需要?jiǎng)h除的模塊，在菜單欄中執(zhí)行Edit/Clear命令；選中需要?jiǎng)h除的模塊，按下鍵盤上的Delete鍵。5.模塊參數(shù)的設(shè)置在SIMULINK環(huán)境下繪制模塊，只能繪出帶有默認(rèn)參數(shù)的模型，為了滿足用戶的具體需要，有時(shí)還需要對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)展具體的設(shè)置。要對(duì)模塊進(jìn)

35、展參數(shù)設(shè)置，首先雙擊響應(yīng)的模塊，這時(shí)將翻開此模塊的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在該參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，既可以查看模塊的各項(xiàng)默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，也可以根據(jù)需要修改各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。圖3.4為正弦波的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框右鍵正弦波模塊選擇“Sin Parameters。圖3.4正弦波的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框3.2.2 仿真信號(hào)線在SIMULINK系統(tǒng)仿真中，模塊間的信號(hào)傳輸是通過連線來完成的，所以是模塊間的連接線稱為信號(hào)線。1.模塊之間信號(hào)線的連接要實(shí)現(xiàn)模塊間信號(hào)線的連接十分簡(jiǎn)單和方便，具體的操作步驟如下：l 將鼠標(biāo)移至源模塊的輸出端口，此時(shí)鼠標(biāo)指針形狀將變?yōu)槭中?。l 拖動(dòng)鼠標(biāo)至目標(biāo)模塊的輸入端口。l 松開鼠標(biāo)即完成模塊連接操作。S

36、IMULINK用一條帶有箭頭的連線將模塊連接起來，箭頭方向表示信號(hào)的傳輸方向。2 繪制支路信號(hào)線 支路信號(hào)線是從已經(jīng)存在的信號(hào)線上引出，將信號(hào)線傳輸?shù)搅硪粋€(gè)模塊的輸入端的信號(hào)線。使用支路信號(hào)線可以將同一信號(hào)傳輸給多個(gè)模塊，要增加一條支路信號(hào)線可以采用以下方法之一： 按住Ctrl鍵，在需要建立支路信號(hào)線的地方按下鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)鼠標(biāo)至目標(biāo)模塊的輸入端，然后松開Ctrl鍵和鼠標(biāo)。 用鼠標(biāo)左鍵從目標(biāo)模塊的輸入端拖出信號(hào)線到支路信號(hào)線的引出點(diǎn)，但要注意信號(hào)線一定要連接起來才能松開鼠標(biāo)。圖3.5 繪制支路信號(hào)線例如3.在信號(hào)線間插入模塊操作有時(shí)候仿真模型的要求，需要在已經(jīng)存在的信號(hào)線上插入一個(gè)新的模塊，其

37、具體操作步驟如下：l 選中需要插入的模塊l 拖動(dòng)模塊到信號(hào)線上需要插入模塊的位置，松開鼠標(biāo)即可。注意：插入的模塊只能由一個(gè)輸入端和輸出端。圖3.6為在Sine Wave模塊和Scope模塊間插入Integrator模塊的操作過程。圖3.6 在信號(hào)線上插入模塊操作過程 4 分割信號(hào)線操作在SIMULINK仿真環(huán)境下，還可以對(duì)信號(hào)線進(jìn)展分割操作(即把直線變成折線的操作)。具體操作步驟如下：l 選中需要分割的信號(hào)線l 把鼠標(biāo)移至分割點(diǎn)l 同時(shí)按下Shift鍵和鼠標(biāo)左鍵，此時(shí)會(huì)在信號(hào)線上出現(xiàn)一個(gè)小圓圈即分割點(diǎn)。l 用鼠標(biāo)拖動(dòng)分割點(diǎn)至所要求的位置。3.2.3 常用的SOURCE庫信源信源用來向模型提供信號(hào)。它沒有輸入口，而至少又一個(gè)輸出口。信源庫時(shí)SIMULINK提供的八大模塊庫之一。在信源庫中有許多標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，表3.2列出常用的幾個(gè)。表3.1 常用Source庫信源名稱模塊形狀功能說明Clock(連續(xù))仿真時(shí)鐘輸出每個(gè)仿真步點(diǎn)的時(shí)刻Consta