用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析.docx
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用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析
题目:
用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析
初始条件：
已知三阶系统的闭环传递函数为
分析系统的动态性能。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、用MATLAB函数编程，求系统的动态性能指标。
2、设
的根是系统的主导极点，编制程序，求系统的动态性能指标。
3、用MATLAB编制程序分析a＝0.84，a＝2.1，a＝4.2系统的阶跃响应曲线，分析高阶系统忽略附加极点，近似为二阶系统的条件。
4、课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。
说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：
任务
时间（天）
审题、查阅相关资料
1
分析、计算
1.5
编写程序
1
撰写报告
1
论文答辩
0.5
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析
1MATLAB函数编程
1.1传递函数的整理
已知三阶系统的闭环传递函数为：
整理成一般式可以得到：
G（s）=
其中a为未知参数。
从一般式可以看出系统没有零点，有三个极点（其中一个实数极点和一对共轭复数极点）。
1.2动态性能指标的定义
上升时间
：
当系统的阶跃响应第一次达到稳态值的时间。
上升时间是系统响应速度的一种度量。
上升时间越短，响应速度越快。
峰值时间
:
系统阶跃响应达到最大值的时间。
最大值一般都发生在阶跃响应的第一个峰值时间，所以又称为峰值时间。
调节时间
：
当系统的阶跃响应衰减到给定的误差带内，并且以后不再超出给定的误差带的时间。
超调量σp%:
阶跃响应的最大值
超过稳态值
的百分数
σp%=
×100%
或者不以百分数表示，则记为
σp=
超调量σp%反映了系统输出量在调节过程中与稳态值的最大偏差，是衡量系统性能的一个重要的指标。
在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升时间、调节时间和超调量。
通常，用
或
评价系统的响应速度；用σp%评价系统的阻尼程度；而
是同时反映响应速度和阻尼程度的综合性能指标。
应当指出，除简单的一、二阶系统外，要精确确定这些动态性能指标的解析表达式是很困难的。
1.3MATLAB函数编程求系统的动态性能
根据三阶系统闭环传递函数的一般表达式，在MATLAB的Editor中输入程序：
num=[2.7a]
den=[1,0.8+a,0.64+a,0.64a]
t=0:
0.01:
20
step（num,den,t）
[y,x,t]=step（num,den,t）%求单位阶跃响应
maxy=max（y）%响应的最大偏移量
yss=y（length（t））%响应的终值
pos=100*（maxy-yss）/yss%求超调量
fori=1:
2001
ify（i）==maxy
n=i;end
end
tp=（n-1）*0.01%求峰值时间
y1=1.05*yss
y2=0.95*yss
i=2001
whilei>0
i=i-1
ify（i）>=y1|y（i）<=y2;m=i;
break
end
end
ts=（m-1）*0.01%求调节时间
title（'单位阶跃响应'）
grid
2三阶系统闭环主导极点及其动态性能分析
2.1三阶系统的近似分析
根据主导极点的概念，可知该三阶系统具有一对共轭复数主导极点
=-0.4
0.693j,因此该三阶系统可近似成如下的二阶系统：
G（s）≈
再利用MATLAB的零极点绘图命令pzmap，可得该二阶系统的零、极点分布，在Editor里面编写如下程序：
H=tf（[2.7],[10.80.64]）;
grid
pzmap（H）;
得到零极点分布图2-1所示：
图2-1零极点分布图
2.2编程求解动态性能指标
根据以上求解动态性能的MATLAB函数程序，在编辑器里面编写以下程序，得到近似二阶系统的单位阶跃响应和动态性能指标。
num=[2.7]
den=[1,0.8，0.64]
t=0:
0.01:
20
step（num,den,t）
[y,x,t]=step（num,den,t）%求单位阶跃响应
maxy=max（y）%响应的最大偏移量
yss=y（length（t））%响应的终值
pos=100*（maxy-yss）/yss%求超调量
fori=1:
2001
ify（i）==maxy
n=i;end
end
tp=（n-1）*0.01%求峰值时间
y1=1.05*yss
y2=0.95*yss
i=2001
whilei>0
i=i-1
ify（i）>=y1|y（i）<=y2;
m=i;
break
end
end
ts=（m-1）*0.01%求调节时间
title（'单位阶跃响应'）
grid
在Editor里面保存好程序，点击运行程序的命令图标
。
MATLAB命令框输出：
i=662
=6.6100
MATLAB输出的阶跃响应曲线为如图2-2所示：
图2-2阶跃响应曲线图
（1）
得到系统的动态性能指标：
最大值
=4.91
终值
=4.22
上升时间
=3.03
峰值时间
=4.53
调节时间
=6.61
超调量σp%=1
=16.35%
3.当a已知时三阶系统的阶跃响应曲线
3.1当a=0.84时系统的阶跃响应曲线
此时三阶系统的一般表达式为：
G（s）=
将分子分母的系数代入1.3所述MATLAB程序中，得到：
num=[2.268]
den=[1,1.64,1.312，0.5376]
t=0:
0.01:
20
step（num,den,t）
[y,x,t]=step（num,den,t）%求单位阶跃响应
maxy=max（y）%响应的最大偏移量
yss=y（length（t））%响应的终值
pos=100*（maxy-yss）/yss%求超调量
fori=1:
2001
ify（i）==maxy
n=i;end
end
tp=（n-1）*0.01%求峰值时间
y1=1.05*yss
y2=0.95*yss
i=2001
whilei>0
i=i-1
ify（i）>=y1|y（i）<=y2;m=i;break
end
end
ts=（m-1）*0.01%求调节时间
title（'单位阶跃响应'）
grid
保存并运行程序，得到单位响应曲线如图3-1所示：
图3-1阶跃响应曲线图
（2）
得到系统的动态性能指标：
最大值
=4.59，
终值
=4.22，
上升时间
=4.64，
峰值时间
=6.04,
调节时间
=7.48,
超调量σp%=
=8.77%。
3.2当a=2.1时系统的阶跃响应曲线
三阶系统的一般表达式为：
G（s）=
将3.2.1程序中分子分母的系数替换为此时的系数，程序其余部分不变。
运行程序得到阶跃响应曲线如图3-2所示：
图3-2阶跃响应曲线图（3）
得到动态性能指标：
最大值
=4.85，
终值
=4.22，
上升时间
=3.59，
峰值时间
=5.05，
调节时间
=7.100，
超调量σp%=
=14.93%。
3.3当a=4.2时系统的阶跃响应曲线
三阶系统的一般表达式为：
G（s）=
同上，把3.2.1程序中分子分母的系数替换为此表达式相应的系数，程序其余部分不变。
同样得到单位阶跃响应曲线如图3-3所示：
图3-3阶跃响应曲线图（4）
得到系统动态性能指标：
最大值
=5.27，
终值
=4.22，
上升时间
=3.01，
峰值时间
=4.62,
调节时间
=9.87,
超调量σp%=
=24.88%。
3.4三阶系统动态性能分析比较
表3-1三阶系统动态性能分析比较
编号
系统闭环传递函数
1
3.03
4.53
16.35
6.61
2
4.64
6.04
8.77
7.48
3
3.59
5.05
14.93
7.10
4
3.01
4.62
24.88
9.87
比较表1中四行数据，基本可以看出非主导极点对系统动态性能的影响为：
增大峰值时间，使系统响应速度变慢，但可以使超调量σp%减表明闭环非主导极点可以增大系统阻尼，且这种作用将随闭环极点接近虚轴而加剧。
从以上四幅阶跃响应的动态性能指标可以看出，它们的终值相等。
说明主导极点所对应的响应分量，随时间的推移衰减缓慢，在系统的时间响应过程中起主导作用。
3..5闭环主导极点
对稳定的闭环系统，远离虚轴的极点对应的模态只影响阶跃响应的起始段，而距虚轴近的极点对应的模态衰减缓慢，系统动态性能主要取决于这些极点对应的响应分量。
此外，各瞬态分量的具体值还与其系数大小有关。
根据部分分式理论，各瞬态分量的系数与零、极点的分布有如下关系：
①若某极点远离原点，则相应项的系数很小；②若某极点接近一零点，而又远离其他极点和零点，则相应项的系数也很小；③若某极点远离零点又接近原点或其他极点，则相应项系数就比较大。
系数大而且衰减慢的分量在瞬态响应中起主要作用。
因此，距离虚轴最近而且附近又没有零点的极点对系统的动态性能起主导作用，称相应极点为主导极点。
3.6估算高阶系统动态性能指标的零点极点法
一般规定，若某极点的实部大于主导极点实部的5~6倍以上时，则可以忽略相应分量的影响；若两相邻零、极点间的距离比它们本身的模值小一个数量级时，则称该零、极点对为“偶极子”，其作用近似抵消，可以忽略相应分量的影响。
在绝大多数实际系统的闭环零、极点中，可以选留最靠近虚轴的一个或几个极点作为主导极点，略去比主导极点距虚轴远5倍以上的闭环零、极点，以及不十分接近虚轴的靠得很近的偶极子，忽略其对系统动态性能的影响。
应该注意使简化后的系统与原高阶系统有相同的闭环增益，以保证阶跃响应终值相同。
利用MATLAB语言的step指令，可以方便准确地得到高阶系统的单位阶跃响应和动态性能指标。
4心得体会
在此次用MATLAB进行控制系统动态性能的分析的课程设计中，我对三阶系统动态性能有了更深的认识。
在控制工程实践中，通常要求控制系统既具有较快的响应速度，又具有一定的阻尼程度，此外，还要求减少死区、间隙和库仑摩擦等非线性因素对系统性能的影响，因此高阶系统的增益常常调整到使系统具有一对闭环共轭主导极点。
这时，可以用二阶系统的动态性能指标来估算高阶系统的动态性能。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
在这次设计中，也要感谢同学和老师的帮助，相互讨论中也使我学习了他们不同的思考方式，使我明白了接受别人好的意见也是很重要的。
在这次课程设计过程中，我既学习到了自动控制原理的知识，又学到了许多书本之外宝贵的分析动手能力。
与其临渊羡鱼，不如退而结网。
这次自动控制设计给我的最大的印象就是如果自己有了兴趣，就动手去做，困难在你的勇气和毅力下是抬不了头的。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：
科学出版社，2007
[2]刘叔军.MATLAB7.0控制系统的应用与实例.北京：
机械工业出版社，2006
[3]何衍庆.MATLAB语言的运用.北京：
化学工业出版社，2003
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