《自动控制原理》课程实验报告()_自动控制原理实验报告

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《自动控制原理》课程实验报告

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实验成绩：

一、实验目的：

1．熟练掌握step()函数和impulse()函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。

2．通过响应曲线观测特征参量ζ和ωn对二阶系统性能的影响。3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。

二、实验要求：

1．根据实验步骤，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的MATLAB运算结果。

2．记录各种输出波形，根据实验结果分析参数变化对系统的影响。3．总结判断闭环系统稳定的方法，说明增益K对系统稳定性的影响。

三、实验步骤：

1．观察函数step()函数和impulse()的调用格式，假设系统的传递函

s23s7数模型为G(s)4，可以用几种方法绘制出系统的阶s4s36s24s1跃响应曲线？试分别绘制。

2n2．对典型二阶系统G(s)2 2s2nsn1）分别绘制出ωn=2(rad/s),ζ分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响。

2）绘制出当ζ=0.25，ωn分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数ωn对系统的影响。

3．单位负反馈系统的开环模型为G(s)K，试判2(s2)(s4)(s6s25)断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K值范围

四、实验结果与结论

时域分析法直接在时间域中对系统进行分析，可以提供系统时间响应的全部信息，具有直观、准确的特点。为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）。本次实验从分析系统的性能指标出发，给出了在MATLAB环境下获取系统时域响应和分析系统的动态性能和稳态性能的方法。

1．用MATLAB求系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分别以s的降幂排列写为两个数组num、den。由于控制系统分子的阶次m一般小于其分母的阶次n，所以num中的数组元素与分子多项式系数之间自右向左逐次对齐，不足部分用零补齐，缺项系数也用零补上。用MATLAB求控制系统的瞬态响应 1）阶跃响应

①求系统阶跃响应的指令有：

step(num,den,t)时间向量t的范围可以由人工给定（例如t=0:0.1:10）

在MATLAB程序中，先定义num,den数组，并调用上述指令，即可生成单位阶跃输入信号下的阶跃响应曲线图。② 求阶跃响应的另一种方法

应当指出，当初始条件为零时，G(s)的单位阶跃响应与

G(s)的单s位阶跃响应相同。考虑到求系统的单位脉冲响应，因为对于单位脉冲输入量，R(s)=1所以

C(s)G(s)s23s71 C(s)432R(s)4s6s4s1s因此，可以将G(s)的单位阶跃响应变换成G(s)的单位脉冲响应。s向MATLAB输入下列num1和den1，给出阶跃响应命令，可以得到系统的单位阶跃响应曲线如图1-1所示，输入下列num2和den2，给出脉冲响应命令，可以得到如图1-1所示一样的单位脉冲响应曲线。t=[0:0.1:10];num1=[1,3,7];den1=[1,4,6,4,1];y=step(num,den,t);plot(t,y);grid;t=[0:0.1:10];num=[1,3,7];den=[1,4,6,4,1,0];

图1-1 单位阶跃响应曲线 y=impulse(num,den,t);plot(t,y);grid;

2．特征参量和n对二阶系统性能的影响

标准二阶系统的闭环传递函数为：

2nC(s)2

2R(s)s2nsn二阶系统的单位阶跃响应在不同的特征参量下有不同的响应曲线。1）对二阶系统性能的影响

设定无阻尼自然振荡频率n2(rad/s)，考虑5种不同的值：利用MATLAB对每一种求取单位阶跃响应=0,0.25,0.5,1.0和2.0，曲线，分析参数对系统的影响。

为便于观测和比较，在一幅图上绘出5条响应曲线（采用“hold”命令实现）。

num=[0 0 4];den1=[1 0 4];den2=[1 1 4];den3=[1 2 4];den4=[1 4 4];den5=[1 8 4];t=[0:0.1:5];step(num,den1,t);grid;hold;text(2,1.7,'Zeta=0');step(num,den2,t);text(1.6,1.5,'0.25');step(num,den3,t);text(1.6,1.1,'0.5');step(num,den4,t);text(1.6,0.8,'1.0');step(num,den5,t);

图1-2 ζ不同时系统的响应曲线 text(1.6,0.5,'2.0');由此得到的响应曲线如图1-2所示： 2）n对二阶系统性能的影响

同理，设定阻尼比0.25时，当n分别取1,2,4,6时，利用MATLAB求取单位阶跃响应曲线，分析参数n对系统的影响。num1=[0 0 1];num2=[0 0 4];num3=[0 0 16];num4=[0 0 36];den1=[1 0.5 1];den2=[1 1 4];den3=[1 2 16];den4=[1 3 36];t=[0:0.1:5];step(num1,den1,t);grid;hold;text(0.1,1.4,'wn=1');step(num2,den2,t);

text(1,1.4,'wn=2');step(num3,den3,t);text(2,1.4,'wn=4');step(num4,den4,t);text(4,1.4,'wn=6');

图1-3 n不同时系统的响应曲线

由此得到的响应曲线如图1-3所示：

3．系统稳定性判断

利用代数稳定判据可确定系统个别参数变化对系统稳定性的影响，以及为使系统稳定，这些参数应取值的范围。

K 根据单位负反馈系统的开环模型 G(s)(s2)(s4)(s26s25)可以求的闭环系统的特征方程式为：

D(s)s412s369s2198s200K0

则其劳斯阵列为：

s4s3s211252.552.519812(200K)52.5200K69198200K0200K

s1s0根据稳定条件: 52.519812(200K)＞0;200+K＞0;因此0＜K＜666.25