控制系统仿真样本.docx
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控制系统仿真样本
《控制系统仿真》
（实验/学习总结）报告
题目:
经典控制系统分析
院系:
电子信息与控制工程系
专业:
测控技术与仪器专业
授课教师:
陈政强石玉秋
本科生:
李俊良
班级:
测控082
学号:
00304079
完成时间:
.01.16
实验二经典控制系统分析
实验内容（带*号的可不做）
1．教材P82页,4.8（任选一个小题）和4.11,
已知单位负反馈的开环传递函数为下面的表示式,绘制当K从0到无穷大时的闭环系统的根轨迹图:
（1）:
程序:
num=[1,2,2];
den=[1,0];g=tf（num,den）;
rlocus（g）
图形:
4.11:
已知闭环系统的传递函数为:
试求系统的超调量
和过渡过程时间
。
程序:
num=conv（1301,[14.9]）;den=conv（conv（[1525],[15.1]）,[150]）;G=tf（num,den）
C=dcgain（G）%计算系统的终值
[y,t]=step（G）;[Y,k]=max（y）;
percentovershoot=100*（Y-C）/C%计算超调量
i=length（t）;
while（y（i）>0.98*C&y（i）<1.02*C）
i=i-1;
end
settlingtime=t（i）%计算调节时间
运行结果:
Transferfunction:
1301s+6375
------------------------------------------
s^4+60.1s^3+555.5s^2+2653s+6375
C=
1.0000
percentovershoot=
16.9668
settlingtime=
1.6344
所得波形如下:
3．已知某控制系统的开环传递函数
试绘制系统的开环频率特性曲线,并求出系统的幅值与相位裕量。
程序:
num=1.5;den=conv（conv（[10],[11]）,[12]）;G=tf（num,den）;
bode（G）
grid
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin（G）
%Gm,Pm,Wcg,Wcp分别为幅值稳定裕度,相角稳定裕度,相角穿越频率,幅值穿越频率
运行结果:
Gm=
4.0000
Pm=
41.5340
Wcg=
1.4142
Wcp=
0.6118
5、对下面传递函数给出的对象模型
绘制根轨迹曲线,并得出在单位反馈下使得闭环系统稳定的K值范围。
对在单位反馈下使闭环系统稳定的K值允许范围内的K值绘制阶跃响应,分析不同K值对系统响应有何影响,并给出必要的解释。
程序与运行结果:
den=conv（[0.51],conv（[0.21],[0.11]））;
num=[-0.51];
g=tf（num,den）;
rlocus（g）
在命令窗口输入:
[k,pples]=rlocfind（g）,再将图形局部放大。
如上图右图:
再放大图上选中与虚轴相交处的点,然后命令窗口上即出现如下的运行结果:
selected_point=
-0.0000+3.6978i
k=
1.3260
pples=
-16.9991
-0.0004+3.6991i
-0.0004-3.6991i
由此可知,使系统稳定的K值范围是:
0经过在命令窗口输入rltool即可分析系统的性能。
下图是在K=0.32时所得的图形,等幅振荡说明K=0.326是使系统稳定的临界值。
在rltool界面下选择analysis菜单,单击rsponsetostepcommand,设定k=0.8,即得下图
同样地,经过在currentcompensator中输入不同的K值,既能够看到相应的阶跃响应,分析后我们发现:
在使闭环系统稳定的K值允许范围内的K值越大,超调量越大,上升时间越快,调节时间越长,即”快”得到改进,但”稳”却有所下降。
另外也能够经过如下程序得到不同的K值,然后分析系统的性能:
num=[-0.51];
G=tf（num,conv（conv（[0.51],[0.21]）,[0.11]））;
k=[0.2,0.6,1,1.2]
fori=1:
4
g=feedback（k（i）*G,1）;
step（g）,holdon
end
8．系统A:
系统B:
（1）用控制系统工具箱中的函数求给定系统的阶跃响应,并求出相应的性能指标:
上升时间、峰值时间、调节时间及超调量。
编写MATLAB程序并给出结果;如果不使用step（）函数,求给定系统的阶跃响应。
（2）求解给定系统的频率响应,编写MATLAB程序并给出结果。
（3）绘制系统的根轨迹,并对系统的性能进行分析,编写MATLAB程序并给出结果。
系统A:
程序,clearall
>>num=2;den=[1,2,2];G=tf（num,den）;gridon;step（G）;a=[wn,z,p]
k=dcgain（G）
上升时间:
=1.55s,峰值时间
=3.15,调节时间
=4.22s,超调量
=4%
频率响应:
程序,>>num=1;den=[1,2,2];g=tf（num,den）;bode（g,{0.001,100}）;grid;
结果:
根轨迹:
程序,num=[2];den=[1,2,2];g=tf（num,den）;rlocus（g）
结果:
系统B:
程序。
num=1;den=[2,3,3,1];G=tf（num,den）;gridon;step（G）;[wn,z,p]=damp（G）;a=[wn,z,p;k=dcgain（G）
上升时间:
=2.3s,峰值时间
=3.46,调节时间
=9.14s,超调量
=2%
频率响应波形为:
根轨迹图为:
实验三PID控制器的设计
实验目的
研究PID控制器对系统的影响;
实验原理
1．模拟PID控制器
典型的PID控制结构如图2所示。
比例
积分
微分
对象模型
PID控制器
r（t）
y（t）
u（t）
e（t）
`
图2典型PID控制结构
PID调节器的数学描述为
2数字PID控制器
在计算机PID控制中,连续PID控制算法不能直接使用,需要采用离散化方法,一般使用数字PID控制器。
以一系列采样时刻点kT（T为采样周期）代表连续时间t,以矩形法数值积分近似代替积分,以一阶后向差分近似代替微分,即:
离散PID表示式:
实验内容与步骤
1．已知三阶对象模型
利用MATLAB编写程序,研究闭环系统在不同控制情况下的阶跃响应,并分析结果。
（1）
时,在不同KP值下,闭环系统的阶跃响应;
（2）
时,在不同
值下,闭环系统的阶跃响应;
（3）
时,在不同
值下,闭环系统的阶跃响应;
（1）程序与运行结果:
Td=0.;Ti=1/Td;
num=[1];den=conv（conv（[11],[11]）,[11]）;
g=tf（num,den）;
Kp=[0.2,0.6,1,1.2]
fori=1:
4
Kp,Ti,Td,s=tf（'s'）;
gc=Kp（i）*（1+1/（Ti*s）+Td*s）;gcg=feedback（gc*g,1）;
step（gcg）,holdon
end
（2）程序与运行结果:
Td=0.;Kp=1;
num=[1];den=conv（conv（[11],[11]）,[11]）;
g=tf（num,den）;
Ti=[10831];
fori=1:
4
Kp,Ti,Td,s=tf（'s'）;
gc=Kp*（1+1/（Ti（i）*s）+Td*s）;gcg=feedback（gc*g,1）;
step（gcg）,holdon
end
（3）程序与运行结果:
Ti=1;Kp=1;
num=[1];den=conv（conv（[11],[11]）,[11]）;
g=tf（num,den）;
Td=[10841];
fori=1:
4
Kp,Ti,Td,s=tf（'s'）;
gc=Kp*（1+1/（Ti*s）+Td（i）*s）;gcg=feedback（gc*g,1）;
step（gcg）,holdon
end
2．以二阶线性传递函数为被控对象,选择合适的参数进行模拟PID控制,
输入信号
A=1.0,f=0.2Hz。
经过Simulik仿真,其中输入加上输入信号
经过示波器参看输出波形。
Simulink仿真图和运行结果:
在matlab命令窗口对kp,ki,kd赋值,直接输入kp=20;ki=10;kd=0.5;启动仿真,得到结果如下:
实验四直流双闭环调速系统仿真
实验目的
掌握Simulink工具分析设计电动机速度控制系统的方法。
实验原理
1．双闭环V-M调速系统目的;
2．积分调节器的饱和非线性问题;
3．电流环和转速环的工程设计。
实验内容
1、建立双闭环调速系统的模型;
系统中采用三相桥式晶闸管整流装置,基本参数如下:
直流电动机:
220V,13.6A,1480r/min,Ce=0.131V/（r.min-1）,允许过载倍数1.5。
晶闸管装置:
Ks=76
电枢回路总电阻:
R=6.58Ω
时间常数:
T1=0.018s,Tm=0.25s
反馈系数:
α=0.00337V/（r.min-1）
β=0.4V/A
反馈滤波时间常数:
τoi=0.005s,τon=0.005s
双闭环调速系统的模型
2、利用Simulink建立仿真模型,并分析系统的动态性能。
双闭环直流调速系统动态结构框图
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