机械工程控制基础实验指导书资料.docx

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机械工程控制基础实验指导书资料

《机械工程控制基础（经典控制部分）》

——MATLAB仿真实验指导书

曹昌勇

皖西学院机电系

二〇一一年二月

实验一MATLAB的基本使用……………………………………………………1

实验二控制系统的时域分析…………………………………………………3

实验三控制系统频域特性分析………………………………………………5

实验四控制系统稳定性分析实验……………………………………………8

实验五控制系统校正………………………………………………………10

第一章MATLAB的基本使用………………………………………………12

第二章系统的时域特性……………………………………………………22

第三章系统的频率特性……………………………………………………40

第四章系统的校正…………………………………………………………54

参考文献………………………………………………………………………77

实验一MATLAB的基本使用

（1）MATLAB最基本的矩阵操作实验；

（2）MATLAB的符号运算操作实验；

一、实验目的

了解MATLAB的强大功能、使用范围与特点，正确理解并掌握MATLAB的基本知识、基本操作，为后续实验的顺利进行打好基础。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、打印机等

三、实验要求

1、必须进行实验预习，要求认真浏览实验内容，最好能够自己上机独立操作一遍。

2、由于后续实验均以本实验为基础，因此实验一至关重要，认真学习MATLAB的基本使用方法。

3、于实验学时有限，而本实验内容多，并且本实验所涉及的仅是MATLAB的部分内容，所以要求同学们自学，利用课余时间学习MATLAB的相关知识。

四、实验内容与步骤

参考实验指导书

注意：

1、MATLAB中所有命令及表达式必须在英文状态下输入（汉字除外），而且MATLAB严格区分字母的大小写。

2、所有命令都可通过help来显示该命令的帮助信息，如helpsin（显示正弦函数sin的帮助信息）。

3、所有命令都必须以小写字母形式输入才能正确执行，否则出错。

五、实验报告要求

1、书写实验目的、实验所用设备。

2、习题的具体解题过程（包括所用的命令、所用的步骤）。

3、实验体会：

的对MATLAB强大功能的了解,体会MATLAB给我们带来的方便与快捷。

实验二控制系统的时域分析

（1）传递函数的几种形式及其相互转换实验；

（2）传递函数方块图化简实验

（3）控制系统的单位脉冲响应曲线分析实验；

（4）控制系统的单位阶跃响应曲线分析实验；

（5）一阶、二阶系统响应曲线的动态分析实验；

一、实验目的

1、掌握一阶系统的时域特性，理解时间常数T对系统性能的影响。

2、掌握二阶系统的时域特性，理解二阶系统的两个重要参数x和nw对系统动态特性的影响，并用固高球杆系统进行验证。

3、理解二阶系统的性能指标，掌握它们与系统特征参数ξ、ωn

之间的关系。

4、了解使用MATLAB进行时域特性分析的方法。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、打印机等

三、实验要求

1、了解典型输入信号，理解时间响应的概念，理解掌握时间响应分析和性能指标的计算。

2、对于一阶惯性环节

（1）重点掌握当输入信号为单位阶跃信号时，对应的响应曲线特点；掌握当系统参数T改变时，对应的响应曲线变化特点，以及对系统的性能的影响。

（2）了解当输入信号分别改为单位脉冲信号、单位速度信号时，响应曲线的变化情况及特点。

（3）通过对实验结果的观察、分析和比较，总结对于同一个系统，当输入信号不同时，对系统的性能的影响。

3、对于二阶系统

了解输入信号为单位阶跃信号时，对应的响应曲线的特点及系统参数ξ、ωn改变时（分别取ξ＝0、ξ＝1、ξ>1、0<ξ<1），对应的响应曲线的变化特点及对系统性能的影响。

四、实验内容与步骤

1、一阶系统的时域分析

2、二阶系统的时域分析（阶跃响应，及其性能指标）

3、利用MATLAB求取系统的时域响应

参考实验指导书、教材

五、实验报告要求

1、包括实验目的、实验设备、实验原理。

2、绘制相应的响应曲线。

3、描述一阶惯性环节中时间常数T对环节的影响。

4、叙述振荡环节中阻尼系数、无阻尼固有频率对环节的影响。

5、结合实验遇到的问题谈谈对实验的看法。

实验三控制系统频域特性分析

（1）控制系统的Nyquist图实验；

（2）控制系统的Bode图实验；

一、实验目的

1、加深理解频率特性的概念，掌握系统频率特性的测试原理及方法。

2、掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理，熟悉典型环节的Nyquist图和Bode图的特点及其绘制，了解一般系统的的Nyquist图和Bode图的特点和绘制。

3、了解MATLAB，能够根据给出的传递函数运用MATLAB求出幅相频特性和对数频率特性。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、打印机等

三、实验要求

1、正确理解频率特性的概念，熟悉典型环节的频率特性。

2、分析开环系统的频率特性，并绘制其开环Nyquist图和Bode图，求取剪切频率ωc，将实验结果与理论分析计算结果进行比较，验证理论的正确性。

3、分析单位反馈系统的频率特性，并绘制其Nyquist图和Bode图，求取谐振频率ωr、谐振峰值Mr，将实验结果与理论分析计算结果进行比较，验证理论的正确性。

4、了解闭环频率特性与时域性能之间的关系。

掌握开环增益K变化对频率特性的影响，以及对Bode图的幅频、相频的影响。

5、对系统的频率特性进行实验验证，掌握系统频率特性的测试原理及方法。

6、实验数据、图形曲线、性能指标打印出来。

四、实验原理

1．频率响应：

线性控制系统对正弦输入的稳态响应。

2、幅频特性：

正弦输出对正弦输入的幅值比

3、相频特性：

正弦输出对正弦输入的相移

4、对数频率特性：

Bode图——对数坐标图，又称Bode图，它由对数幅频特性图和对数相频特性图组成。

对数幅频特性图纵坐标标度为20lgG（jw），其中对数以10为底均匀分度，采用单位是分贝（db）；横坐标标度为lgw，以对数分度绘制，标以w，采用单位是弧度/秒（rad/s）。

对数相频特性图纵坐标为角度，均匀分度，采用单位为度，横坐标与第一张图完全相同。

对数相频特性图放在第一张之下，同时使横坐标的上下一一对应，以

便对比分析。

5、极坐标频率特性曲线（又称奈魁斯特曲线）

6、利用MATLAB对控制系统的进行频域特性分析

（1）求取系统对数频率特性图（波特图）：

bode（）

bode（num,den）：

可绘制出以连续时间多项式传递函数表示的系统的波特图。

（2）求取系统奈奎斯特图（幅相曲线图或极坐标图）：

nyquist（）

nyquist（num,den）：

可绘制出以连续时间多项式传递函数表示的系统的极坐标图。

nyquist（num,den,w）：

可利用指定的角频率矢量绘制出系统的极坐标图。

（3）常用频域分析函数：

margin：

求幅值裕度和相角裕度及对应的转折频率。

五、实验内容与步骤

1、系统的Bode图

2、系统的Nyquist图

详见实验指导书、教材

六、实验报告要求

1、书写实验目的、实验所用设备。

2、具体实验过程（包括所用的命令、所用的步骤）。

3、单位开环增益变化时对频率特性有何影响？

4、什么叫谐振频率ωr，谐振峰值Mr？

根据计算机打印的数据标注在相应的频率特性图上。

5、Nyquist图的单位园相当于bode图上的什么线？

6、实验体会。

++

=

实验四控制系统稳定性分析实验

一、实验目的

1、运用Routh稳定判据、Nyquist稳定判据和Bode稳定判据来判断系统的稳定性。

2、研究开环增益K、时间常数T对系统的动态性能及稳定性的影响。

3、学会利用零极点图分析系统的稳定性。

4、了解相位裕度γ和幅值裕度Kg与系统的相对稳定性的关系及其规律、以及求取的方法。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、打印机等

三、实验要求

1、实验观测记录与响应曲线。

2、观察开环增益K对系统的稳定性的影响。

3、用不同稳定性判据分析系统的稳定性，要求写出判断依据以及推导过程。

4、分析开环系统的频率特性，并绘制其开环Nyquist图和Bode图，求取剪切频

率ωc、相位交界频率ωg、相位裕度γ和幅值裕度Kg、将实验结果与理论分析计算结果

进行比较，验证理论的正确性。

5、、掌握剪切频率ωc、相位交界频率ωg与系统的稳定性的关系及其规律、以及

求取的方法。

6、了解相位裕度γ和幅值裕度Kg与系统的相对稳定性的关系及其规律、以及求取的方法。

7、所做实验要求独立完成

四、实验原理

控制系统的稳定性分析

（一）系统稳定及最小相位系统判据

1、对于连续时间系统，如果闭环极点全部在S平面左半平面，则系统是稳定的。

3、若连续时间系统的全部零极点都位于S左半平面；或若离散时间系统的全部零极点都位于Z平面单位圆内，则系统是最小相位系统。

（二）系统稳定及最小相位系统的判别方法

1、间接判别（工程方法）劳斯判据参考教材

2、直接判别

MATLAB提供了直接求取系统所有零极点的函数，因此可以直接根据零极点的分布情况对系统的稳定性及是否为最小相位系统进行判断。

3、对数稳定性判据参考教材

4、奈氏稳定性判据参考教材

五、实验内容与步骤

分析系统的稳定性。

参考实验指导书、教材

1、用劳斯判据分析系统稳定的条件。

2、根据Nyquist图和Bode图利用Nyquist判据和Bode判据分析系统稳定条件。

六、实验报告要求

1、用三种稳定判据判别系统的稳定性。

2、实验记录与响应曲线。

3、叙述振荡环节中阻尼系数对环节的影响。

4、结合实验遇到的问题谈谈对实验的看法，对实验现象进行分析讨论实验的心得与体会。

5、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益K对系统稳定性的影响。

实验五控制系统校正

（1）．控制系统性能指标（时域、频域）分析实验；

（2）．相位超前校正实验；

（3）．相位滞后校正实验；

（4）．相位滞后-超前校正实验；

一、实验目的

1、熟悉超前、滞后和超前——滞后网络的特性。

2、理解基于频率法进行串联校正的基本概念，掌握基于频率法进行超前、滞后和超前——滞后校正的方法。

3、了解控制系统的设计和校正原理，给定原系统，能分析出系统参数，设计串联校正装置，使系统满足一定性能指标，观察校正前后系统动态特性的变化,了解校正装置对系统性能的影响，掌握控制系统分析和校正方法。

4、掌握P、PD、PID控制器的控制原理和实际应用，及对球杆系统的控制效果。

5、了解在MatlabSimulink环境下进行实时控制的原理和方法。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、打印机等

三、实验原理

（一）基本概念

1、校正：

就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。

2、校正方式：

串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正。

3、常用的校正方法：

有根轨迹法和频率特性法

（三）频率法串联校正设计

1、频率法对系统进行校正的基本思路是：

通过所加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点：

●低频段的增益满足稳态精度的要求；

●中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较