控制系统的暂态特性分析.docx
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控制系统的暂态特性分析
实验二控制系统的暂态特性分析
一.实验目的
1.学习和掌握利用MATLAB进行系统时域响应求解和仿真的方法。
2.考察二阶系统的时间响应，研究二阶系统参数对系统暂态特性的影响。
二、实验原理
1.系统暂态性能指标
控制系统的暂态特性指标常以一组时域量值的形式给出，这些指标通常由系统的单位阶跃响应定义出来，这些指标分别为：
（1）延迟时间
：
响应曲线首次达到稳态值的50%所需的时间
（2）上升时间
：
响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需要的时间长，对于欠阻尼系统，通常指响应曲线首次到达稳态值所需要的时间
（3）峰值时间
：
响应曲线第一次到达最大值的时间
（4）调整时间
：
响应曲线开始进入并保持在允许的误差范围内所需要的时间
（5）超调量
：
响应曲线的最大值和稳态值之差，通常用百分比表示为
在MATLAB中求取单位阶跃响应的函数为step,其使用方法如下：
step（sys）在默认的时间范围内绘出系统响应的时域波形
step（sys,T）绘出系统在0—T范围内响应的时域波形
step（sys,ts:
tp:
te）绘出系统在ts-te范围内，以tp为时间间隔取样的响应波形
[y,t]=step（...）该调用格式不绘出响应波形，而是返回响应的数值向量及其对应的时间向量。
系统的暂态性能指标可以根据上述定义，在响应曲线上用鼠标读取关键点或通过搜索曲线对应的数值向量中关键点来确定。
2.LTIViewer工具
在MATLAB中提供了线性时不变系统仿真的工具LTIViewer,可以方便地观察系统的响应曲线和性能指标。
在命令窗口中键入ltiview即可启动LTIViewer。
（1）【File】菜单
Import选项：
可以从Workspace或MAT文件中导入系统模型。
Export选项：
将当前窗口中的对象模型保存到Workspace或文件中。
Toolboxpreference选项：
属性设置功能，可以设置控制系统中得各种属性值。
PageSetup选项：
页面设置功能，可以对打印输出和显示页面进行设置。
（2）【Edit】菜单
PlotConfiguration选项：
对显示窗口及显示内容进行配置。
LineStyle选项：
线型设置功能，可以对输出响应曲线的线型进行设置。
ViewerPreference选项：
对当前窗口的坐标、颜色、字体、响应曲线的特性参数等属性进行设置。
（3）右键菜单
在运行界面上点击鼠标右键，将会弹出一个弹出式菜单，菜单上个选项的功能分别为：
PlotTypes:
选择绘制的系统曲线类型，可选的类型有单位阶跃响应、单位冲击响应、波特图、奈奎斯特图、零极点图等。
System:
选择需要仿真的系统。
Characteristic:
系统的性能指标选项。
Grid:
显示和关闭网格。
Normalize:
正常显示模式。
FallView:
满界面显示模式。
Properties:
性能编辑器选项，可以设置画面的标题、坐标标志、坐标范围、线型、颜色、性能指标等。
三、实验内容
1.已知单位负反馈系统前向通道的传递函数为
试用MATLAB绘制系统的单位阶跃响应曲线。
实验代码及实验结果
>>num=[80];
>>den=[120];
>>G=tf（num,den）*建立系统传递函数模型
Transferfunction:
80
---------
s^2+2s
>>T=feedback（G,1）
Transferfunction:
80
--------------
s^2+2s+80
>>step（T）*绘制单位阶跃响应曲线
2.已知二阶系统
（1）
=0.6，
=5，试用MATLAB绘制系统单位阶跃响应曲线，并求取系统的暂态性能指标。
（2）
=1，
从0变化到2，求此系统的单位阶跃响应。
（3）
=0.5，
从0变化到1（
0），求此系统的单位阶跃响应。
（4）观察上述实验结果，分析这两个特征参数对系统暂态特性的影响。
（1）实验代码及实验结果：
>>num=[25];
>>den=[1625];
>>G=tf（num,den）
Transferfunction:
25
--------------
s^2+6s+25
>>ltiview
结论：
延迟时间：
0.2716
上升时间：
0.371
峰值时间：
1.09
调整时间：
1.19
超调量：
9.48%
（2）
=0时
>>num=[1];
>>w=1;
>>cs=0;
>>den=[12*w*cs1];
>>G=tf（num,den）
Transferfunction:
1
-------
s^2+1
>>step（G）
=0.5时
>>num=[1];
>>w=1;
>>cs=0.5;
>>den=[12*w*cs1];
>>G=tf（num,den）
Transferfunction:
1
-----------
s^2+s+1
>>step（G）
从0.6变化到2时（每次增加0.1）
>>w=1;
>>num=[1];
>>forcs=0.6:
0.1:
2*设置
的变化
den=[12*w*cs1];
G=tf（num,den）
step（G）*绘制单位阶跃响应曲线
holdon
end
Transferfunction:
1
---------------
s^2+1.2s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+1.4s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+1.6s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+1.8s+1
Transferfunction:
1
-------------
s^2+2s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+2.2s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+2.4s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+2.6s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+2.8s+1
Transferfunction:
1
-------------
s^2+3s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+3.2s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+3.4s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+3.6s+1
Transferfunction:
1
---------------
s^2+3.8s+1
Transferfunction:
1
-------------
s^2+4s+1
（3）
=0.1时
>>cs=0.5;
>>w=0.1;
>>num=[w^2];
>>den=[12*w*csw^2];
>>G=tf（num,den）
Transferfunction:
0.01
---------------
s^2+0.1s+1
>>step（G）
从0变化到1时（每次增加0.1）
>>cs=0.5;
>>forw=0:
0.1:
1
num=[w^2]
den=[12*w*csw^2];
G=tf（num,den）
step（G）
holdon
end
num=
0
Transferfunction:
0
num=
0.0100
Transferfunction:
0.01
------------------
s^2+0.1s+0.01
num=
0.0400
Transferfunction:
0.04
------------------
s^2+0.2s+0.04
num=
0.0900
Transferfunction:
0.09
------------------
s^2+0.3s+0.09
num=
0.1600
Transferfunction:
0.16
------------------
s^2+0.4s+0.16
num=
0.2500
Transferfunction:
0.25
------------------
s^2+0.5s+0.25
num=
0.3600
Transferfunction:
0.36
------------------
s^2+0.6s+0.36
num=
0.4900
Transferfunction:
0.49
------------------
s^2+0.7s+0.49
num=
0.6400
Transferfunction:
0.64
------------------
s^2+0.8s+0.64
num=
0.8100
Transferfunction:
0.81
------------------
s^2+0.9s+0.81
num=
1
Transferfunction:
1
-----------
s^2+s+1
（4）观察实验结果，这两个特征参数对系统暂态特性的影响为：
ω越大，td越小，tr越小，tp越小，ts越小，但超调量
保持不变。
四、实验心得与体会
通过这次实验，使我掌握了利用MATLAB进行系统时域响应求解和仿真的方法。
并通过使用LTIViewer工具观察出系统的各项性能指标，从而研究出二阶系统的时间响应，研究出二阶系统参数对系统暂态特性的影响，并能直观的通过曲线观察到系统响应的变化。
通过实验与理论课上各项指标的定义和计算相结合，使我对这项知识的理解更加深刻。
所以，这次实验让我受益匪浅！
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