二阶系统时域响应特性的实验研究____论文.doc

一、实验目的： 1. 学习并掌握利用MATLAB编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。 2. 通过仿真实验研究并总结PID控制规律及参数对系统特性影响的规律。 3. 实验研究并总结PID控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律，并总结系统特定性能指标下根据根轨迹图、频率响应图选择PID控制规律和参数的规则。 实验任务： 自行选择被控对象模型及参数，设计实验程序及步骤仿真研究分别采用比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）及比例积分微分（PID）控制规律和控制参数（Kp、KI、KD）不同变化时控制系统根轨迹、频率特性和时域阶跃响应的变化，总结PID控制规律及参数对系统特性、系统根轨迹、系统频率特性影响的规律。 在此基础上总结在一定控制系统性能指标要求下，根据系统根轨迹图、频率响应图选择PID控制规律和参数的规则。 实验要求： 1. 分别选择P、PI、PD、PID控制规律并给定不同的控制参数，求取系统根轨迹、频率特性、时域阶跃响应。通过绘图展示不同控制规律和参数系统响应的影响。按照不同控制规律、不同参数将根轨迹图、频率响应图和时域响应图绘制同一幅面中。 2. 通过根轨迹图、频率响应图和时域响应图分别计算系统性能指标并列表进行比较，总结PID控制规律及参数对系统特性、系统根轨迹、系统频率特性影响的规律。 3. 总结在一定控制系统性能指标要求下，根据系统根轨迹图、频率响应图选择PID控制规律和参数的规则。 4. 全部采用MATLAB平台编程完成。 三、涉及实验的相关情况介绍（包含实验软件、实验设备、实验方案设计等情况）： 构建一个二阶系统，， 1、比例（P）控制，设计参数Kp使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态，并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp值，同时绘制对应的阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp的变化情况。总结比例（P）控制的规律。 2、比例积分（PI）控制，设计参数Kp、KI使得由控制器引入的开环零点分别处于 1）被控对象两个极点的左侧； 2）被控对象两个极点之间； 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。 分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp和KI的变化情况。总结比例积分（PI）控制的规律。 3、比例微分（PD）控制，设计参数Kp、KD使得由控制器引入的开环零点分别处于： 1）被控对象两个极点的左侧； 2）被控对象两个极点之间； 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。 分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp和KD的变化情况。总结比例积分（PD）控制的规律。 4、比例积分微分（PID）控制，设计参数Kp、KI、KD使得由控制器引入的两个开环零点分别处于： 实轴上：固定一个开环零点在被控对象两个开环极点的左侧，使另一个开环零点在被控对象的两个极点的左侧、之间、右侧（不进入右半平面）移动。分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp、KI和KD的变化情况。 2）复平面上：分别固定两个共轭开环零点的实部（或虚部），让虚部（或实部）处于三个不同位置，绘制根轨迹图并观察其变化；在根轨迹图上选择主导极点，确定相应的控制器参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定六种情况下系统性能指标随参数Kp、KI和KD的变化情况。 综合以上两类结果，总结比例积分微分（PID）控制的规律。； 四、实验结果（含实验仿真程序、仿真曲线、数据记录表格及实验规律分析与总结等，可附页）： 研究采用比例控制对系统的影响kp分别取为过阻尼、欠阻尼、临界阻尼； 1、程序 clc; p=[1] q=[1 5 6] figure(1); rlocus(p,q) kp = rlocfind(p,q) k2=rlocfind(p,q) k3=rlocfind(p,q) gtext(过阻尼); gtext(欠阻尼); gtext(临界阻尼); title(比例控制); figure(2); sys=tf(conv(p,kp),q); y=feedback(sys,1) subplot(3,1,1) step(y); title(过阻尼);hold on; figure(3); subplot(3,1,1); bode(y); title(过阻尼);hold on; sys2=tf(conv(p,k2),q); y2=feedback(sys2,1) figure(2); subplot(3,1,2) step(y