《控制工程基础》实训报告_网络安全基础实训报告

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《控制工程基础》实训报告

实训地点：实训时间：所在院系：电子信息学院自动化系专业年级：学生姓名：学生学号：指导教师：A2-310 2013年12月2日至12月10日

12电气3班

实验一 典型环节的模拟研究

一：实验目的1、掌握典型环节仿真结构图的建立方法；

2、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。

3、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。

4、初步了解MATLAB中SIMULINK 的使用方法。

二：实验步骤

1．建立各典型环节（比例、积分、微分、惯性、振荡）的仿真模型。进入MATLAB编程环境，在File菜单的New子命令下，新建一个模块文件（*.model）并保存；进入simulink仿真环境，在模块库中找到所需的模块，用鼠标按住该模块并拖至模块文件中，然后再放开鼠标；根据信号流向，用信号线连接各模块。2．根据实验要求，对每一个模块，选取合适的模块参数；

3．在模块文件的simulation菜单下，单击Simulation/paramater子命令，将仿真时间(Stop Time)设置为10秒；

4．在模块文件的simulation菜单下，单击Start子命令，开始仿真过程。5．利用PrintScreen命令，将仿真模型和仿真图形拷贝到WORD文档中。

三：实验内容

①惯性环节（仿真结构图、阶跃响应曲线、分析结果）； ②积分环节（仿真结构图、阶跃响应曲线、分析结果）； ③比例环节（仿真结构图、阶跃响应曲线、分析结果）； ④振荡环节（仿真结构图、阶跃响应曲线、分析结果）； ⑤实际微分（仿真结构图、阶跃响应曲线、分析结果）； 1.比例环节连接系统, 如图所示: 2

2.参数设置: 用鼠标双击阶跃信号输入模块，设置信号的初值和终值，采样时间sample time 和阶跃时间step time 3.在simulation/paramater中将仿真时间(Stop Time)设置为10秒，4.仿真:simulation/start，仿真结果如图1-1所示 改变Kd，观察仿真结果如下图所示

（2）积分环节——放大倍数K不同时的波形

（3）：微分环节——改变Td、Kd，观察仿真结果

（4）：惯性环节--改变其放大倍数K及时间常数T 5

（5）振荡环节——改变ξω的值的波形

四：实训小结

积分环节的传递函数为G=1/Ts(T为积分时间常数)，惯性环节的传递函数为G=1/(Ts+1)（T为惯性环节时间常数）。当时间常数T趋近于无穷小，惯性环节可视为比例环节，当时间常数T趋近于无穷大，惯性环节可视为积分

实训二 系统稳态误差研究

一、实验目的1．掌握终值定理求稳态误差的方法；

2．在不同输入信号作用下,观察稳态误差与系统结构参数、型别的关系； 3．比较干扰在不同的作用点所引起的稳态误差。

二、实验内容

1．给定信号输入作用下，系统的稳态误差分析。

已知控制系统的动态结构图如下所示，其中G1(s)K124，G2(s)反馈通道传递函数2s10.4s1H(s)1。

图2-1 系统结构图

1）建立上述控制系统的仿真动态结构图；

令开环增益为K11，分别对系统输入阶跃信号和斜坡信号，用示波器观察系统的响应曲线和误差响应曲线；并分别计算不同输入信号下的稳态误差值e；

2）改变系统增益K1（自行选取增益值，如K110），用示波器观察系统的稳态误差曲线，计

算稳态值，分析开环增益变化对稳态误差的影响。

如果前向通道中再串联一个积分环节，（增益值K1值同第三步），用示波器观察系统的响应曲线和误差响应曲线，计算稳态值，分析开环增益变化对稳态误差的影响。

给定信号输入作用下，系统的输出响应波形（K1=1）

给定信号输入作用下，系统误差响应波形（K1=1）。

图2-2 系统结构图

给定信号输入作用下，系统误差响应波形（K1=10）

三、实验步骤

1． 使用下面的MATLAB编程命令判断系统的稳定性，因为只有系统是稳定的，计算系统的稳态误差才是有意义的；

clear all;clc;n1=80;%%开环传递函数的分子，降幂排列；

d1=[8, 24, 10];%%开环传递函数的分母系数，降幂排列;

Gs=tf(n1, d1);%% Gs即是开环传递函数G(s)的表达式；

sys=feedback(Gs, 1);％％ feedback 返回闭环传递函数；1即是指单位负反馈传递函数；sys：闭

环传递函数；

roots(sys.den{1});

%% 闭环特征方程的根；

按回车键，Command Windows中会出现MATLAB计算结果：-1.5000 + 3.0000i；

-1.5000-3.0000i； 两个根的实部均为负，系统稳定。

2． 进入SIMULINK：在MATLAB窗口中键入SIMULINK命令，即可弹出SIMULINK模块库，新建二个模版文件，并保存该文件；

3． 建立图1所示的系统仿真模型；分别输入阶跃信号和斜坡信号；误差E信号输入到示波器，用示波器观察误差输入曲线；

4． 建立图2所示的系统仿真模型，干扰信号选择阶跃信号类型，误差E信号输入到示波器，用示波器观察误差输入曲线；

5． 用MATLAB编程命令计算图1给定信号输入下稳态误差的值。

1）建立上述控制系统的仿真动态结构图；

2）干扰信号加在N1和N2的位置时，用示波器观察系统的稳态误差曲线；并分别计算干扰信号为阶跃信号时系统稳态误差值en1、en2；4．给定信号输入作用下，系统误差响应波形（K1=10）

2．干扰信号输入作用下，系统的稳态误差分析。

已知控制系统的动态结构图如下所示，其中G1(s)15，G2(s)反馈通道传递函数s0.5s1H(s)1。

根据步骤5，用MATLAB编程计算图2干扰信号N1/N2输入下稳态误差的值。%%%%%%%%%%%干扰输入N1%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% K1=1;%%%放大器的放大倍数 nt1=50;dt1=[5,10,0];Gsnt1=tf(nt1, dt1);

%% Gs即是开环传递函数G(s)的表达式； hs1=K1;%%%反馈通道传递函数； sys3=feedback(Gsnt1,hs1);ynt1=step(sys3,t);%%干扰信号为阶跃信号时的响应值； es=ynt1-1;figure(3)subplot(2,1,1)%%在同一幅图形上绘制曲线（1行2列，第一个图）； plot(t,ynt1)

%%绘制阶跃干扰输入响应曲线；

xlabel('阶跃干扰1输入响应曲线');%标记横坐标；grid %%显示网格线； subplot(2,1,2)plot(t,es)

%%绘制误差曲线；

xlabel('干扰1误差响应曲线');%标记横坐标；grid %%%%显示网格线 ent1=es(length(es));%%%稳态误差 %%%%%%%干扰输入N2%%%%%%%% K1=1;%%%放大器的放大倍数； nt2=50];13

dt2=[5,10];Gsnt2=tf(nt2, dt2);

%% Gs即是开环传递函数G(s)的表达式； hnum2=K1;hden2=[1,0];hs2=tf(hnum2,hden2);%%%反馈通道传递函数； sys4=feedback(Gsnt2,hs2);ynt2=step(sys4,t);%%干扰信号为阶跃信号时的响应值； es=1-ynt2;figure(4)subplot(2,1,1)%%在同一幅图形上绘制曲线（1行2列，第一个图）； plot(t,ynt2)

%%绘制阶跃干扰输入响应曲线； xlabel('阶跃干扰2输入响应曲线');%标记横坐标 grid

%%显示网格线 subplot(2,1,2)plot(t,es)

%%绘制误差曲线；

xlabel('干扰2误差响应曲线');%标记横坐标 grid

%%%%显示网格线 ent2=es(length(es));%%%稳态误差

图2-5单位阶跃干扰1输入响应曲线及其误差响应曲线

图2-6单位阶跃干扰2输入响应曲线及其误差响应曲线

四：实训小结

1、在阶跃输入作用下，仅0型系统有稳态误差，其大小与阶跃输入的幅值成正比，与系统的开环增益成反比。对I型及I型以上的系统，其稳态误差为0。

2、在斜坡输入之下，0型系统的输出量不能跟踪其输入量的变化，这是因为输出量的速度小于输入量的速度，导致两者的差距不断增大，稳态误差趋于无穷大。稳态时，I型系统的输出量与输入量虽以相同的速度变化，但前者较后者在位置上落后一个常量，这个常量就是稳态误差。稳态情况下II型及II型以上系统的输出量与输入量不仅速度相等，而且位置

实验三

频率特性测试

一、实验目的1.掌握频率特性的定义及其数学本质，进一步理解频率特性的物理意义；

2.掌握典型环节的幅频和相频特性及其对数幅频和相频的计算公式，并学会利用近似作图法绘制对数幅频特性和相频特性曲线；

3.根据二阶系统的对数幅频特性，确定系统的数学模型； 4.了解二阶系统的频域指标和时域指标的对应关系。5.掌握控制系统伯德图和奈奎斯特图的绘制；

6.能对典型系统的伯德图和奈奎斯特图进行系统性能分析。

二、实验内容

已知系统的结构图如图3-1所示，其中G1s100.625s1，G12ss。

图3-1 系统结构图

1． 根据图3-1，绘出相应的模拟电路图；

2． 计算该系统对数幅频特性渐近线的转折频率，谐振峰值、峰值频率和带宽频率。

3． 绘制该控制系统的伯德图（即对数幅频和相频特性），根据伯德图，求出系统的幅值穿越频率、相角穿越频率、截止频率、相角稳定裕量和幅值稳定裕量；

4． 试用乃奎斯特稳定判据判定系统稳定性，如果系统不稳定，则选择合适的开环放大系数调节系统稳定，然后绘制系统的奈奎斯特图。

三、实验方法及步骤

1．画出仿真结构图；

2．利用相关数学公式，计算该系统对数幅频特性渐近线的转折频率，谐振峰值、峰值频率和带宽频率的理论值；

3．进入MATLAB/Simulink仿真环境，建立图3-1所示的系统仿真模型； 4．用MATLAB绘制的频率响应曲线。

利用MATLAB环境下的bode（）函数绘制系统的伯德图，其格式为： [mag,phase,w]=bode(num,den)；可以绘制传递函数为Gsnum时系统的Bode图； den或[mag,phase,w]=bode(num,den,w)；可利用指定的频率值w绘制系统的Bod图；

以上两个语句均可以返回系统Bode图相应的幅值、相角及频率值。其中：mag：幅值；phase：相角；w：频率；

可以由下列命令把幅值转变成分贝：magdb=20*log10(mag)；绘图时的横坐标是以对数分度的。为了指定频率的范围，可采用以下命令格式：

logspace(d1,d2)① 或 logspace(d1,d2,n)②

5． 利用MATLAB编程计算系统的谐振幅值Mr和谐振频率Wr。（也可以利用伯德图上在频率响应图内部空白处用鼠标右键点击，弹出菜单，选择“Peak Response”菜单项，将在频率响应图上出现一个圆点，该点就是系统的谐振频率位置。）

6． 利用Margin()函数计算幅值裕量Gm，相角裕量Pm，幅值穿越频率Wcg 和相角穿越频率Wcp。[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G)；G为系统的开环传递函数。

7． 在伯德图上，在幅频特性和相频特性曲线上任意点单击鼠标，可以观察到该点对应的横坐标和纵坐标值。

8． 绘制系统的奈奎斯特图。其格式为：nyquist(G)；G为系统的开环传递函数；

9． 根据伯德图分析系统在低频段、中频段和高频段特性、系统稳定性；根据乃奎斯特图分析系统的稳定性。

10．保存仿真模型和仿真实验结果，并保存在WORD文档中。

有关MATLAB编程语句如下：

num=10;%开环传递函数的分母

den=[0.625, 1, 0];%开环传递函数的分母 G=tf(num,den);%开环传递函数 figure(1)grid %%%%%%%%%%%%%在指定的频率范围内画伯德图

% w1=logspace(-1,2,100);%在10^d1和10^d2之间产生100个对数点;d1=-1;d2=1 % [mag,phase,w]=bode(G,w1);%绘制伯德图 %%%%%%%%%%%%%%%%在默认频率范围内画伯德图

[mag,phase,w]=bode(G);%绘制伯德图 magn(1,:)=mag(1,:);phan(1,:)=phase(1,:);[M,i]=max(magn);%谐振幅值

Mr=20*log10(M)%把幅值化成分贝（dB)表示 Pr=phase(1,i)%谐振幅值对应的相位 Wr=w(i,1)%谐振频率 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %figure(2)% margin(num,den)% 利用该margin命令也可以绘制伯德图；该语句不返回变量，仅仅绘制伯德图 %grid %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G)%%%%%利用margin命令返回幅值裕量Gm，相角裕量Pm，幅值穿越频率Wcg 和相角穿越频率Wcp； 该语句返回上述四个变量，不绘制伯德图

title('伯德图G(s)=10/[s(0.625s+1)]')%%%%%%%%%%%%%%%%绘制系统的奈奎斯特图，利用乃奎斯特图判定系统的稳定性 figure(3)nyquist(G)xlabel('Nyquist')%%%%%%%%%%利用代数稳定判据判定系统稳定性，验证乃奎斯特稳定判据的结果 sys=feedback(G,1);roots(sys.den{1})%%%%%%%%sys是闭环传递函数

图3-1系统的伯德图为：

四、实训小结

根据线性系统稳定的充分必要的条件: 闭环系统特征方程的所有特征根均具有负实根,或者说闭环系统的极点均位于左半s平。

实验四

串联超前校正环节的设计

一、实验目的1．掌握典型输入信号作用下，评价系统的性能指标及其数学计算公式；

2．掌握超前校正装置的模拟电路原理图及其传递函数的形式；

3．掌握串联超前校正装置对系统性能的影响，观察和分析加入校正装置前后系统动态特性的变化； 4．学习使用MATLAB绘制伯德图，掌握Bode函数的使用格式； 5．掌握使用频率特性法设计典型串联超前环节。

6．学会利用伯德图分析系统的性能,总结加入超前校正装置系统改善的特点；

二、实验内容

已知控制系统的动态结构图如下所示，其中G1(s)11K0.6s1，G2(s)，G2(s)，Gc(s)，反s10.1s1s0.1s1馈通道传递函数H(s)1。采用串联超前校正时，试求：

（1）当系统开环增益K10时，画出系统校正之前和校正之后的阶跃响应曲线和伯德图，并分别从曲线上求出系统校正前、后的超调量%、调节时间ts、幅值裕量和相角裕量，幅值穿越频率和相角穿越频率；（2）分析加入校正装置之前和加入校正装置之后系统的动态性能。

图4－1 校正前系统的结构图

图4－2 校正后系统的结构图

三、实验方法和步骤

1．进入MATLAB/Simulink仿真环境，建立图4-

1、4-2所示的系统仿真模型；

2．利用MATLAB下tf()函数、feedback()函数和step()函数，画出系统在加入校正装置前、后的阶跃响应曲线；

3．观察得到的阶跃响应曲线，分别求出系统校正前、后的超调量、调节时间；

4．利用MATLAB下Bode()函数，画出系统的伯德图，在曲线上求得幅值裕量和相角裕量，幅值穿越频率和相角穿越频率；

5．根据系统在校正前后得到的实验数据，分析系统校正前、后的动态特性变化情况K=10;t=0:0.5:100;num=K;

den=conv([1,0],conv([1,1],[0.1,1]));G=tf(num,den);sys=feedback(G,1);ystep=step(sys,t);num=K*[0.6,1];

den=conv([1,0],conv([1,1],[0.01,0.2,1]));Gj=tf(num,den);sysj=feedback(Gj,1);yjstep=step(sysj,t);figure(1)subplot(2,1,1)plot(t,ystep)

xlabel('系统校正前的单位阶跃响应曲线')subplot(2,1,2)plot(t,yjstep)

xlabel('系统校正后的单位阶跃响应曲线')figure(2)bode(G)grid [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G)xlabel('系统校正前的伯德图G(s)=K/[s(s+1)(0.1s+1)]')figure(3)bode(Gj)grid [Gmj,Pmj,Wcgj,Wcpj]=margin(Gj)xlabel('系统校正后的伯德图G(s)={[K*(0.6s+1)]/[s(s+1)(0.1s+1)(0.1s+1)]}')figure(5)subplot(2,1,1)nyquist(G)

xlabel('系统校正前的奈奎斯特图 ')subplot(2,1,2)

nyquist(Gj)

xlabel('系统校正后的奈奎斯特图 ')Gm =1.1000

Pm =1.5763 Wcg =3.1623

Wcp =3.0145 Gmj =2.8746

Pmj =29.9573 Wcgj =9.3216 Wcpj = 4.9732

四、实训小结

加入校正装置后，可以使为校正系统的缺陷得到补偿，在一定程度上能够使已校正系统满足要求的性能指标。无论

是

串入

何

种

校

正

环

节，或

者

是

否

串

入校

正

环

节，系

统

最

终

都

会

进入

稳

态，即

三

个

系

统

都

是

稳

定

系

统

。超

前

校

正

：

系

统

比

未

加

校

正

时

调

节

时

间

短，即

系

统

快

速

性

变

好

了，而

且

超

调

量也减小了。从频率角度来看，戒指频率减小，相位稳定域度增大，系统稳定性变好。