《自动控制原理》实验指导书教案分析.doc

《自动控制原理》实验指导书 刘昌玉 张明雄 编 华中科技大学水电学院 2001年10月26日  目 录 实验1 时域响应法 2 1.1 实验目的 2 1.2 实验内容 2 1.3 实验步骤 3 1.4 思考题 3 1.5 Matlab用法 3 1.5.1 一个简单的例子 3 1.5.2 本实验所用的系统 6 1.5.3 说 明 11 实验2 反馈系统根轨迹法和频率响应法 12 2.1 实验目的 12 2.2 实验内容 12 2.3 实验步骤 12 2.4 思考题 12 2.5 rltool用法 13 2.5.1 rltool窗口 13 2.5.2 rltool用法 14 时域响应法 实验目的 研究闭环系统的单位阶跃时域响应 理解性能指标的意义 熟悉Matlab的基本用法。 实验内容 线性系统的时域响应法，可以分析控制系统的动态性能和稳态性能，它能直接在时间域中对系统进行分析，直观，准确，并可提供系统时间响应的全部信息。 控制系统性能的评价分为动态性能指标和稳态性能指标两类。为了求解系统的时间响应，在一般情况下，需要选择若干典型输入信号。在本实验中，我们采用单位阶跃函数作为典型输入信号。 通常在阶跃函数的作用下，测定或计算系统的动态性能。描述稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t变化状况的指标，称为动态性能指标，它通常为： 上升时间 峰值时间 延迟时间 调节时间 超调量 稳态误差是描述系统稳态性能的一种性能指标。若时间趋于无穷时，系统的输出量不等于输入量，则系统存在稳态误差。由于时间不可能趋于无穷，因此，在本实验中，用末态误差来表示。 一阶系统，是以一阶微分方程为运动方程的控制系统。 二阶系统，是以二阶微分方程为运动方程作为运动方程的控制系统。二阶系统，分为欠阻尼、临界阻尼、过阻尼二阶系统。 在本实验中，可以对具有以下几个开环传函的单位负反馈系统进行仿真比较： 欠阻尼： 临界阻尼： 过阻尼： 在改善二阶系统性能的方法中，比例-微分控制和测速反馈控制是两种常用的方法。 实验步骤 进入Matlab工作环境 在subsystem子系统中设计自己需要的传函 双击”初始化”按钮 执行仿真开始命令 双击”性能指标”按钮 思考题 在Simulink环境中先设计一个不低于二阶的系统，用比例微分和速度反馈等方式对系统进行优化，要求打印出最后的时域响应曲线，记下它的性能指标。谈一下对实验的感想，并提出对实验的一些改进建议。 Matlab用法 Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的用户环境。它还包括了ToolBox（工具箱）求解各类问题的工具，可用来求解特定学科的问题。 ，进入Matlab环境。如图1所示 图1 单击”Simulink库”按钮，如图2。 图2 单击图”新建”按钮，建一个新的Simulink编辑窗，如图3，图4： 图3 图 4 在Simulink库中打开Simulink/sources/signal generator，并将其拖到新建的窗口中。如图5，图6所示 图5 图6 双击它，可改变它的属性。如图7所示： 图7 我们保持它的缺省设置，然后按同样的方法，将Simulink/sinks/scope和Simulink/math/gain拖入新建窗口。如图8 图8 用左键按住不放，连接这几个环节，这样，一个简单的系统就做成了。如图9所示： 图9 单击仿真开始按钮，双击scope环节，可以看到如下的图形。如图10所示： 图10 双击gain按钮，可以改变它的值，自己试一下，看看它的变化。 本实验所用的系统 进入Matlab工作环境（如图11）打开contrl_1.mdl，进入已编好的Simulink环境（图12）。 图11 图12 可以看到下面两个窗口。一个是Simulink编辑窗口。一个是示波器scope显示窗口。如图13，图14所示 图13 图14 对subsystem子系统设计传函：双击如图所示按钮”subsystem1”。如图15，图16所示 图15 图16 单击”Simulink库”按钮，如图17所示。 图17 在Simulink库中找到需要的环节，按住左键拖到图16的编辑窗口中。 编辑好后，进行仿真。先双击”初始化”按钮，然后单击”仿真开始”按钮，在示波器中可以看到仿真的时域响应曲线，如图18。再双击”性能指标”按钮，可以在显示窗口中看到性能指标，如图19所示。 图18 图19 其它几个可能会用到的模块： Simulink/cont