自动控制原理实验三简单控制系统经典.docx
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自动控制原理实验三简单控制系统经典
2013-2014学年第1学期
院别:
控制工程学院
课程名称:
自动控制原理A
实验名称:
简单控制系统设计及Matlab实现
实验教室:
6111
指导教师:
小组成员(姓名,学号):
实验日期:
评分:
一、实验目的
1、深刻理解串联超前网络和滞后网络对系统性能的调节作用;
2、掌握串联超前和滞后校正网络的设计方法;
3、学习并掌握计算机辅助控制系统设计方法;
4、通过实验,总结串联超前和滞后校正的特点,以及对系统性能影响的规律。
二、实验任务及要求
(一)实验任务
如图(a)所示为大型卫星天线系统,为跟踪卫星的运动,必须保证天线的准确定位。
天线指向控制系统采用电枢控制电机驱动天线,其框图模型如图(b)所示。
若要求:
(1)系统在斜坡作用下的稳态误差小于10%;
(2)系统相角裕度大于40度;(3)阶跃响应的超调量小于25%,调节时间小于2s。
通过实验请完成下列工作:
图(a)天线图(b)天线指向控制系统
1、若不加校正网络,通过实验绘制系统阶跃响应曲线和开环bode图,观察系统能否满足上述性能指标要求。
2、若
,通过绘制系统根轨迹图,确定使系统稳定的
值范围;并通过实验研究仅调节参数
是否能满足指标要求。
要求至少选择三个
值分别绘制阶跃响应曲线和bode图加以说明。
3、设计合适的超前校正网络
使系统满足性能指标要求。
并通过实验图形反映校正过程和实验结果。
提示:
如果一级超前无法满足要求,则可设计二级超前网络。
4、设计合适的滞后校正网络
,使系统满足性能指标要求。
并通过实验图形反映校正过程和实验结果。
5、列表说明超前校正和滞后校正的效果、优点、缺点、适用场合。
6、计算干扰
对输出
的影响(可以假定
)。
(二)实验要求
1、通过实验选择校正网络的参数使校正后的系统满足设计要求;
2、通过实验总结超前校正、滞后校正的控制规律;
3、总结在一定控制系统性能指标要求下,选择校正网络的原则;
4、采用人工分析与MATLAB平台编程仿真结合完成设计实验任务。
三、实验方案设计(含实验参数选择、控制器选择、仿真程序等)
1、当不加校正网络时,系统阶跃响应程序和曲线为
num=10;
den=[0.020.3110];
sys=tf(num,den);
t=[0:
0.1:
10];
step(sys,t);
holdon;
xlabel('Time(s)')
ylabel('stepreponsey(t)')
上升时间
调节时间
超调量
峰值时间
0.213
7.51
70%
0.6
系统的bode图和程序
num=10;
den=[0.020.310];
sys=tf(num,den);
bode(sys);
结论:
当不加较正网络时,不满足性能指标的要求。
2、当加的校正网络为Gc(s)=Kp时,系统根轨迹图为
系统稳定时的Kp取值范围是0 当Kp=0.5时的阶跃响应程序和曲线分别为 num=5; den=[0.020.315]; sys=tf(num,den); t=[0: 0.1: 10]; step(sys,t); holdon; xlabel('Time(s)') ylabel('stepreponsey(t)') 上升时间 调节时间 超调量 峰值时间 0.324 3.2 38.8% 0.8 系统的bode图和程序为 num=5; den=[0.020.310]; sys=tf(num,den); bode(sys); 当Kp=0.8时的阶跃响应程序和曲线分别为 num=8; den=[0.020.318]; sys=tf(num,den); t=[0: 0.1: 10]; step(sys,t); holdon; xlabel('Time(s)') ylabel('stepreponsey(t)') 上升时间 调节时间 超调量 峰值时间 0.234 4.87 57.8% 0.7 系统的bode图和程序为 num=8; den=[0.020.310]; sys=tf(num,den); bode(sys); 当Kp=1.2时的阶跃响应程序和曲线分别为 num=12; den=[0.020.3112]; sys=tf(num,den); t=[0: 0.1: 10]; step(sys,t); holdon; xlabel('Time(s)') ylabel('stepreponsey(t)') 上升时间 调节时间 超调量 峰值时间 0.19 12.5 75.6 0.6 系统bode图和程序为 num=12; den=[0.020.310]; sys=tf(num,den); bode(sys); 当Kp=1.4时的阶跃响应程序和曲线分别为 num=14; den=[0.020.3114]; sys=tf(num,den); t=[0: 0.1: 10]; step(sys,t); holdon; xlabel('Time(s)') ylabel('stepreponsey(t)') 上升时间 调节时间 超调量 峰值时间 0.172 40.3 86% 0.58 系统bode图和程序为 num=14; den=[0.020.310]; sys=tf(num,den); bode(sys); 结论: 调节Kp不能满足系统的性能要求。 3、超前校正网络Gc(S)=121*(s+2.4)/(s+32)/10; 校正后的bode图和程序为 num=[121290.4]; den=[0.020.9410.6320]; sys=tf(num,den); bode(sys); 可知相角裕度为44度满足题目要求 阶跃响应图和程序为 num=[121290.4]; den=[0.020.9410.6153290.4]; sys=tf(num,den); t=[0: 0.1: 10]; step(sys,t); holdon; xlabel('Time(s)') ylabel('stepreponsey(t)') 上升时间 调节时间 超调量 峰值时间 0.145 1.12 28.9 0.3 由上表可知调节时间和超调量满足题目要求。 稳态误差为9.9%。 所以该超前校正网络满足题目的全部性能要求。 4、滞后校正网络Gc(s)=13/10*(s+0.28)/(10s+0.28) 阶跃响应仿真程序和仿真图 num=[133.64]; den=[0.23.05610.8415.83.64]; sys=tf(num,den); t=[0: 0.1: 10]; step(sys,t); holdon; xlabel('Time(s)') ylabel('stepreponsey(t)') 上升时间 调节时间 超调量 峰值时间 1.08 1.74 0.991% 2.4 Bode图和程序 num=[133.64]; den=[0.23.05610.842.80]; sys=tf(num,den); bode(sys); 可以看出所有指标都满足要求 5、 校正装置 效果 优点 缺点 使用场合 超前校正装置 提供一个超前相角 1)截止频率增大; 2)相角裕度增大; 3)超调量减小; 4)调节时间减小。 容易增大闭环控制系统的带宽,降低系统的抗噪性能,并且也不适用于稳态精度要求较高的系统 适用于稳态精度要求不太高的场合 滞后校正装置 使系统增益适当衰减 1)截止频率减小; 2)相角裕度增大; 3)超调量减小; 调节时间增大 适用于系统响应时间要求不高的场合 四、实验结果(含仿真曲线、数据记录表格、实验结果数据表格及实验分析与结论等) 五、实验总结: (含建议、收获等)
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- 关 键 词:
- 自动控制 原理 实验 简单 控制系统 经典
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