自动控制理论实验报告3.docx
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自动控制理论实验报告3
HarbinInstituteofTechnology
实验报告
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线性系统的Simulink仿真和控制系统的设计和校正
A.线性系统的Simulink仿真
一、实验目的
1、学习使用Simulink搭建系统模型的方法;
2、学习使用Simulink进行系统仿真及观测稳定性及过渡过程。
2、实验内容
1、典型环节单位阶跃响应曲线
(1)比例环节
(2)积分环节
(3)比例积分环节
(4)惯性环节
求:
1)各典型环节单位阶跃响应结构图
2)观察记录示波器Scope中各典型环节的单位阶跃响应曲线
2、已知系统如图所示,若输入信号r(t)=1(t),扰动信号n=0.1*1(t),
求:
1)仅在输入信号r(t)=1(t)作用下,令扰动信号n=0.在示波器scope中观察系统的单位阶跃响应曲线并读出单位阶跃响应误差。
2)仅在扰动信号n=0.1*1(t)作用下,令输入信号r(t)=1(t)=0.在示波器scope中观察系统的单位阶跃响应曲线并读出单位阶跃响应误差。
3)求出系统总的稳态误差。
3、实验步骤
1.运行MATLAB,键入Simulink,回车,出现SimulinklibraryBrowser
界面,然后打开file→New→Model→出现新建模型窗口。
2.在窗口中选Simulink→Sources→Step(阶跃信号模块),选中后将它拖到新建模型窗口中,双击Step模块,设置参数。
3.参考表中路径调用实验中所用模块。
4.连接模块的操作方法:
用鼠标指向源模块的输出端口,当鼠标变成十字形时按住鼠标左键不放,然后拖动鼠标指向目标模块输入端口后松开。
5.点击simulation→Star运行。
双击示波器scope,观察响应波形。
6.保存系统仿真原理图及仿真结果,以备书写实验报告。
4、实验结果
1、典型环节单位阶跃响应曲线
(1)比例环节
图1比例环节的结构图
结果:
图2比例环节的单位阶跃响应曲线
比例环节中,比例系数K=2,从图2可以看到,输入为红色直线,输出为黑色直线,输出信号是输入信号的2倍,实验结果与理论相符。
(2)积分环节
图3积分环节的结构图
结果:
图4积分环节的单位阶跃响应曲线
积分环节中,比例系数K=0.5,从图4可得,输出为一条直线,斜率为0.5,试验结果与理论相符。
(3)比例积分环节
图5比例积分环节的结构图
结果:
图6比例积分环节的单位阶跃响应曲线
比例积分环节相当于比例环节和积分环节的叠加,比例环节的增益
=0.5,积分环节的比例系数
=2,从图6结果可知,输出是初值为0.5、斜率为2的直线,实验结果与理论相符。
(4)惯性环节
图7惯性环节的结构图
结果:
图8惯性环节的单位阶跃响应曲线
惯性环节中,比例系数K=0.5,时间常数
,从图8曲线可知,输出曲线起始斜率为1(=
),稳态值为0.5(即K),实验结果与理论相符。
2.
(1)当r(t)=1(t),n(t)=0时,系统的单位阶跃响应如图9所示,单位阶跃响应误差为0;
图9r(t)=1(t),n(t)=0时,系统的单位阶跃响应
(2)当r(t)=0,n(t)=0.1*1(t)时,系统的单位阶跃响应如图10,单位阶跃响应误差为-0.1;
图10r(t)=0,n(t)=0.1*1(t)时,系统的单位阶跃响应
(3)当r(t)=1(t),n(t)=0.1*1(t)时,系统的单位阶跃响应如图11,总的稳态误差为-0.1。
图11r(t)=1(t),n(t)=0.1*1(t)时,系统的单位阶跃响应
B.控制系统的设计和校正
一、实验目的
1、对给定系统,设计满足性能指标的校正装置;
2、加深理解校正装置对系统的动、静态性能的校正作用;
3、用MATLAB/Simulink观察校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。
二、实验内容
1、设控制系统原有部分的开环传递函数为
(1)要求设计串联校正装置,使系统具有K=12,
的性能指标。
(2)绘制校正前、后系统的频率特性及单位阶跃相应曲线。
2、设未校正系统原有部分的开环传递函数为:
(1)设计串联校正装置,使系统满足下列性能指标:
K=30,
(2)用时域响应曲线验证。
3、已知反馈校正系统结构图及传数如下:
图12
(1)用综合法设计反馈校正装置,使系统的静态速度误差系数,单位阶跃响应时,超调量
,调整时间
。
(2)用simulink观察反馈校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。
三、实验结果
1.
(1)根据题意,所设计的串联校正装置为:
(2)校正前后系统的bode图及单位阶跃响应曲线如下:
图13校正前系统bode图
图14校正后系统的bode图
图15校正前系统单位阶跃响应曲线
图16校正后系统单位阶跃响应曲线
2.
(1)根据题意,所设计的串联校正装置为:
(2)加入串联校正装置后,系统的单位阶跃响应曲线及单位斜坡响应曲线分别如图17和图18所示:
图17单位阶跃响应曲线
图18单位斜坡响应曲线
3.
(1)根据题意,用综合法设计的反馈校正装置为:
校正前,系统的单位阶跃响应曲线如图19:
图19校正前,系统的单位阶跃响应曲线
校正后,系统的结构图如图20:
图20校正后,系统结构图
系统的单位阶跃响应如图21:
图21校正后,单位阶跃响应曲线
由图21可知,加入校正装置后,系统的单位阶跃响应曲线,系统超调量
,调整时间
,均满足要求。
(2)加入校正前,系统发散;加入反馈校正环节后,系统稳定。