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实验三最少拍控制系统设计实验报告
实验三 最少拍控制系统设计实验
1. 实验目的
(1)理解最少拍控制系统的基本原理。
(2)掌握最少拍控制系统设计过程。
2. 实验仪器
(1) MATLAB 6.5软件 一套
(2) 个人PC机 一台
3. 实验原理
最少拍设计,是指系统在典型输入信号(如阶跃信号、速度信号、加速度信号等)作用下,经过最少拍(有限拍)使系统的输出稳态误差为零。所以,最少拍控制系统也称最少拍无差系统或最少拍随动系统,实质上是时间最优控制系统,系统的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短。可以看出,这种系统对闭环Z传递函数的要求是快速性和准确性。最少拍控制系统的设计与被控对象的零极点位置有很密切的关系。如图1所示是最少拍控制系统结构图:
图1 最少拍系统结构图
闭环Z传递函数为:,
闭环误差Z传递函数为:,
由于,根据终值定理得
,
对于以上三种典型输入信号分别为
单位阶跃:
单位速度:
单位加速度:
统一表达式:
式中为不含因子的的多项式。其中T为采样周期。
对于
单位阶跃:
单位速度:
单位加速度:
则有: 从上式可知,要求稳态误差为零的条件是应具有如下形式
则 其中是待定的不含因子的关于的有理分式或的有限项多项式, 是的分母的阶数。
根据最少拍概念可知,当具有最简单的形式时,它展成幂级数所含多项式的项数就最少。为使稳态误差为零,因子是必不可少的。为使稳态误差最快衰减到零,即为最少拍系统,就应使 最简单,即阶数n最小,即完全可以想象若取,则最简单,那么得到无稳态误差最少拍系统的希望闭环误差Z传递函数就应为
而希望闭环Z传递函数应为
对于不同输入、形式如下:
单位阶跃:
单位速度:
单位加速度:
有上式可知,使误差衰减到零或输出完全跟踪输入所需的调整时间,即为最少拍数对应于m 1,2,3分别为1拍,2拍,3拍。
四、实验步骤
1.理解实验原理
2.采样周期为1S,依据给定的输入信号(阶跃信号、速度信号、加速度信号),借助MATLAB仿真软件,构造最少拍离散系统输入信号的传递函数模型,构造离散系统输入信号的传递函数模型的分子、分母系数;构造最少拍离散系统阶跃信号、速度信号、加速度信号分别对应的闭环误差传递函数模型;构造最少拍离散系统阶跃信号、速度信号、加速度信号分别对应的目标传递函数,构造最少拍离散系统阶跃信号、速度信号、加速度信号分别对应的目标传递函数模型的分子、分母系数。
3.调用whole_least_step算法函数,实现最少拍控制系统的最少拍算法,在阶跃信号、速度信号、加速度信号作用下,分别绘制最少拍控制系统输出响应曲线图。
五. 实验报告内容
1.在理论分析的基础上,给出最少拍控制系统的最少拍算法的详细设计步骤。
2.根据给定的输入信号和whole_least_step算法函数,借助MATLAB仿真软件,编程实现基于该控制系统的whole_least_step算法,绘制最少拍控制系统输出响应曲线图。
3.对照实验图形,分析实验结果。
step1 tf [1,0],[1,-1],1 ;
mubiao1 tf 1,[1,0],1
[num1,den1] tfdata mubiao1,v
mubiao2 tf [2,-1],[1,0,0],1
[num2,den2] tfdata mubiao2,v
mubiao3 tf [3,-3,1],[1,0,0,0],1
[num3,den3] tfdata mubiao3,v
whole_least_step num1,den1,num2,den2,num3,den3,1
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