1、兰 州 理 工 大 学自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告院系：电气工程与信息工程学院班级： 自动化一班 姓名： 自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 1页学号： 时间： 年 月 日电气工程与信息工程学院自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2017）一、仿真实验内容及要求1MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握 MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉 MATLAB 仿真集成环境 Simulink 的使用。2各章节实验内容及要求1）第三章 线性
2、系统的时域分析法对教材第三章习题 3-5 系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；对教材第三章习题 3-9 系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；在 MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题 3-30，并对结果进行分析；在 MATLAB 环境下完成英文讲义 P153.E3.3；对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在 时，试采用 10aK微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足 %5,等指标。3250,10sstmd自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学
3、电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 2页2）第四章 线性系统的根轨迹法在 MATLAB 环境下完成英文讲义 P157.E4.5；利用 MATLAB 绘制教材第四章习题 4-5；在 MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题 4-10 及 4-17，并对结果进行分析；在 MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题 4-23，并对结果进行分析。3）第五章 线性系统的频域分析法利用 MATLAB 绘制本章作业中任意 2 个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正利用 MATLAB 选择设计本章作业中至少 2 个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；利用 MATLA
4、B 完成教材第六章习题 6-22 控制器的设计及验证；对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用 PD 控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标 。msts150%,5）第七章 线性离散系统的分析与校正利用 MATLAB 完成教材第七章习题 7-19 的最小拍系统设计及验证；利用 MATLAB 完成教材第七章习题 7-24 的控制器的设计及验证；对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”进行验证，计算 D(z)=4000时系统的动态性能指标，并说明其原因。二、仿真实验时间安排及相关事宜1依据课程教学大纲要求，仿真
5、实验共 6 学时，教师应在第 3 学周下发仿真任务书，并按课程进度安排上机时间；学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时内完成仿真实验要求的内容；2实验完成后按规定完成相关的仿真实验报告；3仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订。自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 3页自动化系自动控制原理课程组 2017 年 8 月 24 日 自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 4页第三章 线性系统的时域分析法1.对教材第三章习题 3-5 系统进行动态性能仿真，并
6、与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果。单位反馈系统的开环传递函数为 该系统的阶跃响应曲线如下图所示，其0.41()6)sG中虚线表示忽略闭环零点时 的阶跃响应曲线。2s解：MATLAB 程序如下：num=0.4 1；den=1 0.6 0；G1=tf(num,den)；G2=1；G3=tf(1,den)；sys=feedback(G1,G2,-1)；sys1=feedback(G3,G2,-1)；p=roots(den)c(t)=0:0.1:1.5；t=0:0.01:20；figure(1)step(sys,r,sys1,b-,t)；grid；自动控制原理MATLAB 分析与设计
7、仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 5页xlabel(t)；ylabel(c(t)；title(阶跃响应)；程序运行结果如下：分析：（1）原系统的动态性能：从图中可以看出：峰值时间：tp=3.2s，超调量 18.0，调节时间 ts=7.74s。（2）忽略闭环零点的系统动态性能：从图中可以看出：峰值时间：tp=3.6s，超调量16.7，调节时间 ts=7.86s。（3）两种情况动态性能比较：通过比较可以看出闭环零点对系统动态性能的影响为：减小峰值时间，使系统响应速度加快，超调量增大。这表明闭环零点会减小系统阻尼。2.对教材第三章习题 3-9 系统的动态性能及稳态性
8、能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用。解：由题意可得系统的闭环传递函数，其中当系统为测速反馈校正系统时的闭环传递函数为 G(s)= ，系统为比例-微分校正系统时的闭环传递函数为 G(s)= 。102+2+10 +102+2+10MATLAB 程序如下：G1=tf(10,1 1 0)；自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 6页sys2=feedback(G1,1,-1)；G2=tf(0.1 0,1)；G3=feedback(G1,G2,-1)；G4=series(1,G3)；sys=feedback(G4,1,-1)；G5=t
9、f(0.1 0,1)；G6=1；G7=tf(10,1 1 0)；G8=parallel(G5,G6)；G9=series(G8,G7)；sys1=feedback(G9,1,-1)；den=1 2 10；p=roots(den)t=0:0.01:7；figurestep(sys,r,sys1,b-,sys2,g:,t)；grid；xlabel(t)；ylabel(c(t)；title(阶跃响应)；不同控制器下的单位阶跃响应曲线如下图所示：自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 7页0 1 2 3 4 5 6 700.20.40.6
10、0.811.21.41.61.8 、t (sec)c(t)分析：（1）从图中可以看出：峰值时间 tp=1.05s，超调量 35.1，调节时间 ts=3.54s（=2） 。（2）从图中可以看出：峰值时间 tp=0.94s，超调量 37.1，调节时间 ts=3.44s（=2） 。（3）结果：比较表明系统的稳定性与前馈控制无关；微分反馈使系统的性能得到了改善。3.在 MATLAB 环境下完成英文讲义 P153.E3.3；由题可知系统的开环传递函数为 ()=6250(2+13+1281)解：MATLAB 程序如下：num=6205;den=conv(1 0,1 13 1281)；G=tf(num,de
11、n)；sys=feedback(G,1,-1)；figure(1)；pzmap(sys)；自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 8页z,k,p=tf2zp(num,den)；xlabel(j)；ylabel(1)；title( 零极点分布图);grid；t=0:0.01:5；figure(2)；step(sys,t)；grid；xlabel(t)；ylabel(c(t);title( 阶跃响应)；（1）求得系统的零极点为z=emptyk=0 和-6.5+35.1959i 和-6.5-35.1959ip=6205（2）该系统的单位
12、阶跃响应曲线和零极点分布图如下：、t (sec)c(t)0 0.5 1 1.5 2 2.5 300.20.40.60.811.21.4System: sysRise Time (sec): 0.405System: sysPeak amplitude: 1Overshoot (%): 0.000448At time (sec): 2.11自动控制原理MATLAB 分析与设计仿真实验报告兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 共 25 页 第 9页-6 -5 -4 -3 -2 -1 0-40-30-20-100102030400.090.130.20.45101520253035405101520
13、253035400.0120.0260.0420.0620.090.130.20.40.0120.0260.0420.062、j1分析：（1）特征方程的特征根都具有负实部，响应曲线单调上升，故闭环系统稳定，实数根输出表现为过阻尼单调上升，复数根输出表现为震荡上升。（2）该系统的上升时间=0.405s，峰值时间=2.11s，超调量=0.000448，峰值为 1。由于闭环极点就是微分方程的特征根，因此它们决定了所描述系统自由运动的模态，而且在零初始响应下也会包含这些自由运动的模态。也就是说，传递函数的极点可以受输入函数的激发，在输出响应中形成自由运动的模态。4.对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在 时，试采用微分反10aK馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足等指标。%5,320,510sstmd解：MATLAB 程序如下：G1=tf(5000,1,1000)；G2=tf(1,1 20)；Ga=series(100,G1)；Gb=series(Ga,G2)；
