实验课教案5_实验课教案安排

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《自动控制理论》实验课教案 实验名称：控制系统的MATLAB校正设计

指导教师：孙红鸽、吴翔

一、实验目的1、学习通过对系统性能的分析，选择合适的校正方式，设计校正器模型；

2、学习通过matlab仿真，在时域和频域内对校正效果进行验证

3、学习通过通过模拟实验台搭接电路和校正器模型验证校正效果（增加）

二、实验仪器

仿真实验设备与软件：(1)计算机(2)MATLAB软件 模拟实验设备与器材： ⑴ 控制理论实验台 ⑵ 示波器 ⑶ 信号源 ⑷ 阻容元件

三、实验原理及方法

实验指导书内容同。

四、教学内容

1、原理讲述（任课教师讲述）

2、实验内容及要求

1）.对未加校正装置时系统的性能进行分析，根据性能要求进行校正器模型的理论设计（要求课下完成）； 2）.Matlab仿真。

（1）观测校正前系统的时域、频域性能。（2）观测校正后系统的时域、频域性能。

（3）对比（1）、（2）中的结果分析校正器性能，在保证校正效果的前提下并根据实验台实际参数进行校正器模型调整。最终确定校正器模型。3）.模拟实验。

（1）根据给定的系统模型和实验台实际参数搭接校正前的系统模拟电路。（2）根据最终确定的校正器模型搭接校正器模拟电路

（3）用上位机软件观测系统时频域性能进行分析，验证是否满足设计要求； 4）.对仿真实验和模拟实验的结果进行分析比较。

在以上内容部分包括了理论、仿真、模拟电路三部分，由于时间限制可能会有所取舍，建议在实验室里时，以模拟电路搭接为主，理论和仿真部分课下补全。（实际操作有点脱离本次试验大纲，但是为了让学生达到理论和实践的很好结合，以后预计按此进行修订，本次算是实验改革试验吧）

五、实验教学组织

1、先讲原理。

2、实验内容介绍。

3、提醒常出问题的地方：

程序编写应在M文档完成，程序运行方式（两种：拷贝选取点击右键；拷贝到程序窗口运行。），feedback命令的使用，程序中“；”的使用等。

Figer（）命令的使用以及多个图形在同一窗口显示的实现 参数的获取，分析

模拟部分问题较多，如运放坏、实际电阻电容值达不到标称值，加校正器后放大倍数的改变等。

4、实验报告要求：

A、统一使用chbcc-1软件中提供的实验报告模板，所有需要保存的图形均采用截屏键（视图最大化）。B、实验报告每人交一份纸质稿同时提交电子稿 C、实验报告每组除实验数据相同外，实验结论及实验总结应有自己的见解。若同组内实验报告完全相同只给一半分数。

D、若非同组出现相同数据或实验报告完全一致，则所有相同者此次实验报告均为零分（特别强调）

E、若非同班内出现完全相同数据，则本门课程实验为零分。（特别强调）

六、实验教学的重点及难点

1、重点：原理的应用和能力的锻炼

2、难点：根据系统要求设计校正器模型

bode图判断系统稳定性的实际应用； 校正器模型的设计

七、实验中容易出现的问题

1、模拟电路中试验参数受到实验台限制，参数搭配取近似值。

2、通常将开环函数当做负反馈闭环函数使用。

3、图形正确，分析不到位，理解有难度

八、实验参考数据（例子）

本次实验数据，可以根据学生编制的程序运行出现。例1：系统开环传递函数：Go(s)K

S(0.5S1)性能要求：Kv25，35，c10rad/s

1.MATLAB仿真部分

1.1根据实验四和实验七进行系统校正前的仿真时频域分析 由Kv25，确定K25，取K25 频域分析：

在Matlab软件中输入程序：g0=tf([25],[0.5 1 0]);bode(g)

绘制出校正前系统的伯德图如图9-2所示：

图9-2 校正前系统的伯德图

由图9-2中可知系统的性能不满足性能要求，需要校正。时域分析：

输入程序为：gf=feedback(g0,1)；step(gf)校正前闭环系统的阶跃响应曲线如图9-3所示：

图9-3校正前闭环系统的阶跃响应曲线

1.2将理论计算出的校正器模型引入，进行校正后的仿真时频域分析

频域分析：在Matlab软件中输入程序：gc=tf([0.4 1],[0.05 1]);g=g0*gc;bode(g0,g)

绘制出校正后系统的伯德图如图9-4所示：

图9-4校正后系统的伯德图

由图中可知系统的性能均满足性能要求，校正器模型合理。时域分析：

输入程序为：gcf=feedback(g,1)；step(gcf)校正后闭环系统的阶跃响应曲线如图9-5所示：

图9-5校正后闭环系统的阶跃响应曲线

从校正前后系统的阶跃响应曲线上显示的参数可见，系统性能得到了改善。1.3对校正前后的系统性能进行对比分析，初步确定校正器模型。

仿真确定校正器模型为Gc(s)0.4S1

0.05S11.4校正器模型修订，根据实验台上可提供的电阻电容值对初定的校正器进行调整使得最终的校正器模型既满足系统的性能要求又能够在实验台上实现。

上面确定的控制模型可以在实验台实现，故不需要调整。2.模拟部分

2.1根据给定的实验模型搭接校正前系统的模拟电路图 根据传递函数绘制系统模拟电路图如图9-6所示：

图9-6校正前系统的模拟电路图

根据Kv25，结合实验台实际数据图中取Rf1=510K，C1=1uF，R1=20K 2.2在实验台上按照上图连接电路，用“THBCC-1”软件观测校正前系统的阶跃响应。其响应曲线如图9-7所示：

图9-7 校正前系统的阶跃响应曲线

从图9-7中读取ts=4.1s，δ%=∆Y/Y1=1.71/5.75=29.7% 2.3搭接校正后系统的模拟电路图

控制系统的校正器的模拟电路图如图9-8所示：

图9-8 校正器的模拟电路图

根据校正器模型传递函数，图9-8中取：Rc1=400k，Rc2=510k，Cc1=1 uF，Cc2=0.1uF。在实验台上搭接校正器的模拟电路图，并引入原系统，则校正后控制系统的模拟电路如图9-9所示：

图9-9 校正后控制系统的模拟电路图

2.4用“THBCC-1”软件观测校正后系统的阶跃响应，如图9-10所示

图9-10校正后闭环系统的阶跃响应曲线

从图中读取ts=1.8s，δ%=∆Y/Y1=0.07/5.75=1.2% 3.实验结果分析

由图9-

7、9-10进行分析。

4.适当调整校正装置的性能参数，重复上述实验，分析相应参数的改变对系统性能的影响。

九、实验结果检查方法

1、程序没时间检查，只看实验图形，结果错误要求学生自查程序，更改后查验；

2、实验图形完全正确，根据实验内容随机提出问题，回答正确者加分。

十、课堂实验预习检查题目

1、实验目的2、实验原理及原理图

3、计算公式

4、实验步骤

5、数据记录表格

6、注意事项