1、自动控制原理MATLAB实验报告实验报告实验一典型环节的 MATLAB 仿真一、实验目的1熟悉 MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解 SIMULINK功能模块的使用方法。2通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。3定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。二、实验原理1比例环节的传递函数为Z 2R22 R1 100K , R2200KG( s)R1Z1其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 1 所示。图 1 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形2惯性环节的传递函数为R2Z2R12G ( s)R2C1 1R1 100K , R2 200K ,
2、 C1 1ufZ10.2s 1其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图 2 所示。图 2 惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形班级：XX：学号：1实验报告3积分环节 (I) 的传递函数为Z211G(s)R1C1sR1 100K ,C1 1ufZ10.1s其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 3 所示。图 3积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形4微分环节 (D) 的传递函数为G( s)Z 2R1C1 ssR1 100K, C110ufC2C1 0.01ufZ1其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 4所示。图 4 微分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形5比例 +微
3、分环节（ PD）的传递函数为G( s)Z 2R2(R1C1 s1)(0.1s1)Z1R1R1 R2100K , C110ufC2C10.01uf其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 5 所示。图 5 比例 +微分环节的模拟电路及 SIMULINK图形曲线班级：XX：学号：2实验报告6比例 +积分环节（ PI）的传递函数为R21(1 1)R1 R2 100K , C1 10ufG( s)Z2C1sZ1R1s其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图 6 所示。图 6 比例 +积分环节的模拟电路及 SIMULINK图形曲三、实验内容按下列各典型环节的传递函数，建立相应的 SIMULINK
4、仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。比例环节 G1 (s)惯性环节 G1 (s)积分环节 G1 (s)微分环节 G1 (s)比例 +微分环节（比例 +积分环节（1和 G1 (s)2 ；1和 G2( s)11s10.5s1ssPD）G1( )2和G2(s) s1s sPI）G1(s) 11和 G 2 (s) 11s2s四、实验报告记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。 比例环节：G1 ( s) 1（如图 7 所示）G1 ( s) 2 （如图 8 所示）班级：XX：学号：3实验报告惯性环节：G1( s)1（如图 9 所示）G2 ( s)1（如图 10 所示）s10.5s1积
5、分环节： G1( s)1 s（如图11所示）微分环节： G1 (s) s （如图 12 所示）比例 +微分环节（ PD）：G1 ( s) s 2 （如图 13 所示）G2 ( s) s 1（如图 14 所示）比例 +积分环节（ PI）：G1 (s) 11（如图 15 所示）G 2 (s) 11（如图 16所示）s2s班级：XX：学号：4实验报告实验二基于 MATLAB 控制系统单位阶跃响应分析一. 实验目的1.学会使用 MATLAB 编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线。2.研究二阶控制系统中， n 对系统阶跃响应的影响。3.掌握准确读取动态特性指标的方法。4.分析二阶系统闭环极点和闭环零点对系
6、统动态性能的影响。二、实验报告100已知单位负反馈前向通道的传递函数为： G (s)s25s1.试作出其单位阶跃响应曲线，准确读出其动态性能指标，并记录数据。2.分析n 不变时，改变阻尼比 ，观察闭环极点的变化及其阶跃响应的变化。当 0， 0.25， 0.5， 0.75， 1， 1.25 时，求对应系统的闭环极点、自然振荡频率及阶跃响应曲线。班级：XX：学号：5实验报告3.保持 0.25 不变，分析n变化时，闭环极点对系统单位阶跃响应的影响。当 n 10， 30， 50 时，求系统的阶跃响应曲线。4.分析系统零极点对系统阶跃响应的影响。班级：XX：学号：6实验报告实验三基于 MATLAB控制系
7、统的根轨迹及其性能分析一、实验目的1.熟练掌握使用 MATLAB 绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法。2.学会分析控制系统根轨迹的一般规律。3.利用根轨迹图进行系统性能分析。4.研究闭环零、极点对系统性能的影响。二、实验原理1.根轨迹与稳定性当系统开环增益从变化时，若根轨迹不会越过虚轴进入s 右半平面，那么系统对所有的 K 值都是稳定的； 若根轨迹越过虚轴进入 s 右半平面，那么根轨迹与虚轴交点处的K值，就是临界开环增益。应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或某一参数下的闭环零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。2.根轨迹与系统性能的定性分析1）稳定性。如果闭环极点全部位于s 左
8、半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性只与闭环极点的位置有关，而与闭环零点位置无关。2）运动形式。如果闭环系统无零点，且闭环极点为实数极点，则时间响应一定是单调的；如果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。3）超调量。超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率，并与其它闭环零、极点接近坐标原点的程度有关。4）调节时间。调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点的模值。5）实数零、极点影响。零点减小闭环系统的阻尼，从而使系统的峰值时间提前，超调量增大；极点增大闭环系统的阻尼，使系统的峰值时间滞后，超调
9、量减小。而且这种影响将其接近坐标原点的程度而加强。三、实验报告s2 5s51.已知系统的开环传递函数G(s)H(s)s(s 1)(s22s 2)，绘制系统的零极点图。班级：XX：学号：7实验报告2.若已知系统开环传递函数， 绘制控制系统的根轨迹图， 并分析根轨迹的一般规律。kG(s)H(s)s(s 1)(s2)班级：XX：学号：8实验报告实验四线性系统的频域分析一、实验目的1掌握用 MATLAB 语句绘制各种频域曲线。2掌握控制系统的频域分析方法。二、实验报告1典型二阶系统2G(s)ns22 n s2n绘制出6 ，0.1 ，的bode图，记录并分析对系统bode图的n0.30.5 0.8 2影
10、响。班级：XX：学号：9实验报告2系统的开环传递函数为G (s)10s2 (5s 1)( s 5)G (s)8(s1)2 ( s15)( s26s 10)sG (s)4( s/ 31)1)(0.05s 1)(0.1s 1)s(0.02s绘制系统的 Nyquist 曲线、Bode 图，说明系统的稳定性， 并通过绘制阶跃响应曲线验证。班级：XX：学号：10实验报告3已知系统的开环传递函数为G (s)s 1。求系统的开环截止频率、穿2 (0.1ss1)越频率、幅值裕度和相位裕度。应用频率稳定判据判定系统的稳定性。4根据频域分析方法分析系统，说明频域法分析系统的优点。班级：XX：学号：11实验报告实验
11、五 线性系统串联校正一、实验目的1熟练掌握用 MATLAB 语句绘制频域曲线。2加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。二、实验内容1） 采用 PI 调节器串联校正对于给定的单位反馈闭环系统，如图1 所示：+-8.151 0.05s 10.01s图 1原闭环系统结构图串联校正装置的传递函数为 Gc( s)6.13 1 0.05s ，试画出原系统及各校正环节的模s拟线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析校正前、后系统的性能。班级：XX：学号：12实验报告2） 采用 PD 调节器串联校正对于给定的单位反馈闭环系统，如图2 所示：+-0.5s s 2图 2 原闭环系统结构图串联校正装置的传递函数为Gc (s) 8 1 0.25s ，试画出原系统及各校正环节的模拟线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析校正前、后系统的性能。班级：XX：学号：13实验报告3） 采用 PID 调节器串联校正对于给定的单位反馈闭环系统，如图3 所示：+-10s s 2图 3原闭环系统结构图串联校正装置的传递函数为 Gc (s)4.8 11，试画出原系统及各校正环0.25s0.6s节的模拟线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析校正前、后系统的性能。班级：XX：学号：14
