控制工程实验指导书201009.doc

《机械控制工程基础》实验指导书 华东交通大学机电学院  实验一 典型环节模拟 一、实验目的 ①了解、掌握计算机模拟典型环节的基本方法。 ②熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 ③了解各种参数变化对典型环节动态特性的影响。 ④了解计算机辅助分析和设计的特点与优点 二、实验要求 ①通过计算机的仿真图形观测各种典型环节时域响应曲线。 ②改变参数，观测参数变化时对典型环节时域响应的影响。 ④对实验程序加上注释，写出实验报告。 三、实验内容 一般来讲，线性连续控制系统通常都是由一些典型环节构成的，这些典型环节有比例环节、积分环节、一阶微分环节、惯性环节、振荡环节、延迟环节等。下面分别对其性能进行仿真（建议实验程序在M文件中用单步执行的方式执行程序，以便于分析）： 1）比例环节 比例环节的传递函数为： 编程分析当k=1～10时，比例环节在时域的情况： ①当输人信号是单位阶跃信号时，比例环节的输出曲线（单位阶跃响应曲线）是什么形状呢？实验程序如下： for k=1:1:10 num=k; den=1; G=tf(num,den); step(G); hold on; end 在M文件的窗口中，输入程序，录入程序完成后，保存该M文件，在弹出的“保存为”窗工中输人M文件名bl.m（也可以自己取文件名），选择存放该M文件的路径，就可以完成保存工作，然后单击“Tools”菜单中的“Run”，将在step图形窗口中显示出响应图形。试分析系统的输出信号的特点。 2）积分环节 积分环节的传递函数为： 当输人信号是单位阶跃信号时，积分环节的仿真程序如下： num=1; den=[1,0]; G=tf(num,den); step(G) 执行程序，试分析系统的输出信号的特点。若G(s)=k/s，编程分析当K=1～10时，在单位阶跃信号激励下，积分环节时域响应的情况。 3）一阶微分环节 一阶微分环节的传递函数为： ①当输入信号是单位阶跃信号时，一阶微分环节的输出在MATLAB的函数step（）中是无法绘制的。为了能够进行仿真，设置一个极点p，该极点｜P｜＞＞1／T，设极点P=－1000，T取值范围为：1～10。 实验程序如下： for T=1:2:10; num=[T,1]; den=[0.0001,1]; G=tf(num,den); Step(G); Hold on; end 试分析一阶微分环节阶跃响应的特点以及T值的作用。 4）惯性环节 惯性环节的传递函数为: ①当输人信号是单位阶跃信号时，惯性环节的单位阶跃响应曲线是什么形状呢？ 实验程序： for T=1:2:10; num=[1]; den=[T,1]; G=tf(num,den); Step(G); Hold on; end 分析惯性环节的时间常数T与响应到达稳态值时间之间的关系。 5）振荡环节 振荡环节的传递函数为： ①当输入信号是单位阶跃信号时，振荡环节的单位阶跃响应曲线是什么形状呢？ 实验参考程序如下(其中，T=6，ξ=0.1,0.4,0.7) T=6; for zeta=[0.1,0.4,0.7]; num=[1]; den=[T^2,2*T*zeta,1]; G=tf(num,den); Step(G); Hold on; end 分析阻尼系数ξ对单位阶跃响应的影响 实验二 控制系统时域仿真和稳定性研究 凡是能用二阶微分方程描述的控制系统，都称为二阶控制系统。 典型二阶控制系统的闭环传递函数为： 当0＜ξ＜1时，二阶控制系统被称为欠阻尼系统；当ξ＝1时，称为临界阻尼系统；当ξ＞1时，称为过阻尼系统。 典型二阶控制系统的闭环传递函数有两个可选参数：ξ和ωn，根据不同的ξ和ωn的参数值，对二阶控制系统时域仿真和稳定性进行研究。 一、实验目的 ①熟悉二阶控制系统的阶跃响应曲线。 ②理解ξ和ωn参数变化对系统动态特性的影响。 二、实验要求 ①通过计算机的仿真图形观测二阶控制系统的时域响应曲线。 ②改变ξ和ωn，观测参数变化时对典型环节时域响应的影响。 对实验程序加上注释，写出实验报告。 三、实验内容 1）二阶控制系统时域响应和稳定性的仿真 在程序中，阻尼比ξ用变量zeta来表示。 当ωn=1，ξ＝0.1，0.3，0.5，0.7，0.9,1.0,2.0时的单位阶跃响应实验程序： wn=1; kos= [0.1:0.2:0.9,1.0,2.0]; for zeta = kos num=wn^2; den=[1,2*zeta*