自动控制原理MATLAB分析与设计仿真实验报告最终版文档格式.docx
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(1)试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。
(2)忽略闭环零点的系统在单位阶跃输入下的动态性能。
(3)对
(1)和
(2)的动态性能进行比较并分析仿真结果。
(1)A:
程序如下。
B:
系统响应曲线如下图。
(2)A:
B:
(3)A:
B响应曲线如下图。
分析:
忽略闭环零点时,系统的峰值时间,调节时间,上升时间均为增大的,而超调
量减小。
由此可知,对于一个稳定的系统,当忽略其闭环零点时,系统仍然是稳定的,但其
系统的峰值时间,调节时间,上升时间均增大,而超调量减小,所以该系统的稳定性变好了,
而动态性能变差了。
因此应该适当的调节,使得系统的响应时间和超调量在一定程度上达到
平衡,满足设计需要。
二、教材第三章习题3.9
设控制系统如图所示,要求:
(1)取计算测速反馈校正系统的超调量、调节时间和速度误差;
(2)取计算比例-微分校正系统的超调量、调节时间和速度误差。
(1)A程序如下:
B系统响应曲线如下图:
(2)系统响应曲线如下:
(1)测速反馈校正系统的超调量、调节时间和速度误差
峰值时间:
超调量:
调节时间:
(2)比例-微分校正系统的超调量、调节时和速度误差。
三、教材第三章习题3.30
火星自主漫游车的导向控制系统结构图如图所示,该系统在漫游车的前后部都装
有一个导向轮,其反馈通道传递函数为
要求:
(1)确定使系统稳定的值范围;
(2)当为该系的一个闭环特征根时使计算的取值,并计算另外两
个闭环特征根;
(3)应用
(2)求出的值确定系统的单位阶跃响应。
(1.1)程序如下:
(1.2)单位阶跃响应曲线如下:
从图中可以看出此系统的峰值时间远远大于调节时间,而且其超调量为零,说明此系统是稳定的。
四、英文讲义3.3
(1.1)A1Simulink接线图如下:
A2程序如下。
(1.2)零极点分布及响应曲线如下。
特征方程的特征根s都具有负实部,故闭环系统稳定。
其中实数根表现为单调上升,复数根输出表现为振荡上升。
五、英文讲义“DiskReadSystem”
(1.2)系统响应曲线如下:
添加微分反馈后系统的扰动减小,自然频率不变,阻尼比变大,由欠阻尼
变为过阻尼,是上升时间变大,超调量和调节时间变小,动态性能变好。
但闭环
增益减小,加大了系统的稳态误差。
第四章线性系统的根轨迹法
一、教材第四章习题4.5
(1.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下:
(2.1)程序如下:
(2.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下:
(3.1)程序如下:
(3.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下:
二、教材第四章习题4.10
设反馈控制系统中要求:
(1)概略绘出系统根轨迹图,并判断闭环系统的稳定性;
(2)如果改变反馈通路传递函数,使H(s)=1+2s,试判断H(s)改变后的系统稳定性,
研究由于H(s)改变所产生的效应。
由于H(s)从1改变到1+2s,使系统增加了一个负实零点,迫使系统根轨
迹向s左半平面弯曲,从而改善了系统的稳定性。
三、教材第四章习题4.17
设控制系统如图所示,其中为改善系统性能而加入的校正装置。
若
可以从三种传递函数中任选一种,你选择哪一种?
为什么?
(2.1)三种校正装置的根轨迹如下:
此系统的超调量为4.12%,而峰值为1.04.又由根轨迹图得,有负实根,
所以系统趋于稳定。
四、教材第四章习题4.23
图示是V-22鱼鹰型倾斜旋翼飞机示意图。
V-22既是一种普通飞机,又是一种直升机。
当飞机起飞和着陆时,其发动机位置可以如图示那样,使V-22像直升飞机那样垂直起降;
而在起飞后,它有可以将发动机旋转90°
,切换到水平位置,像普通飞机一样飞行。
在直升机模式下,飞机的高度控制系统如图所示。
(1)概略绘出当控制器增益变化时的系统根轨迹图,确定使系统稳定的值范围;
(2)当取时,求系统对单位阶跃输入r(t)=1(t)的实际输出h(t),并确定系统的超调量和调节时间(△=2%);
(3)当r(t)=0,求系统对单位扰动的输出
(4)若在R(s)和第一个比较点之间增加一个前置滤波器试重解问题
(2)。
此系统为二阶振荡衰减系统,阻尼比大于1,系统是稳定的,当时间趋于
无穷时,稳态误差为零,即系统输出可以跟踪输入。
第五章线性系统的频域分析法
一、教材第五章习题5.6
A程序如下
B频域特性曲线
二、5-24.绘制下列各函数的对数幅频渐进特性曲线,确定截止戒指频率Wc和相角裕度。
程序如下;
(1)G(s)=2/((2s+1)(8s+1))的开环对数频率特性
由图可知:
剪切频率为0.196rad/s,相角裕度为101度。
(2)G(s)=200/(s^2(s+1)(10s+1))的开环对数频率特性
剪切频率为2.06rad/s,相角裕度为-151度。
(3)G(s)=8(s/0.1+1)/(s(s^2+s+1)(s/2+1))的开环对数频率特性
剪切频率5.34rad/s,相角裕度为-59.6度。
(4)G(s)=10(s^2/400+s/10+1)/(s(s+1)(s/0.1+1))的开环对数频率特性
剪切频率为0.867rad/s,相角裕度为-29.4度。
第六章线性系统的校正
一、教材第六章习题6.1
设有单位反馈的火炮指挥仪伺服控制系统,其开环传递函数为:
若要求系统最大输出速度为12°
/s,输出位置的容许误差小于2°
,试求:
(1)确定满足上述指标的最小K值,计算K值下系统的相角
裕度和幅值裕度;
(2)在前向通路中串接超前校正网络计算校正后系统的相角
裕度和幅值裕度,说明超前校正对系统动态性能的影响。
(1.2)校正前、校正后波特图如下:
(1.3)校正前、校正后响应曲线如下:
由上图及表格可以看出,串联超前校正可以增加相角裕度,从而减少超调
量,提高系统的稳定性,增大截止频率,从而缩短调节时间,提高快速性。
二、教材第六章习题6.22
(1.2)波形如下。
三、英文讲义“DiskReadSystem”
(1.2)无前置滤波器时系统响应曲线如图:
(1.3)单位阶跃输入响应曲线和单位阶跃扰动响应曲线如下:
有三个图进行比较得:
无前置滤波器时单位阶跃输入响应图表明,闭环零点可以提升系统的上升时间,但恶化了系统的超调量;
而有前置滤波器时系统的单位阶跃时间相应,表明其动态性能大为改善,超调量为0.1%,调节时间为40ms,在前置滤波器的单位阶跃扰动响应图,表明能有效抑制扰动的影响,最大扰动影响值为0.00069,从而满足全部设计要求。
第七章线性离散系统的分析与校正
一、教材第七章习题7.19
窗体顶端
已知离散系统如下图所示,其中采样周期T=1s,连续部分传递函数为
试求当r(t)=1(t)时,系统的无稳态误差、过渡过程在最少拍
内结束的数字控制器D(z)。
(1)程序如图:
窗体底端
(2)系统响应曲线如图:
系统的单位阶跃响应如图所示,可见该系统为一拍系统。
二、教材第七章习题7.24
(1)单位阶跃时间T=0.1s。
(1.1)程序如图:
(1.2)系统响应曲线如图:
由图可以看出:
T=0.1s,系统连续时,超调量为31%,峰值时间为0.28s,调节时间为1s;
系统离散时,超调量为78%,峰值时间为0.3s,调节时间为3.1s连续系统离散化后,阶跃响应动态性能会恶化,且输出有纹波。
(2)单位阶跃时间T=0.01s。
(2.1)程序如图:
(2.2)系统响应曲线如图:
可得连续系统和T=0.01时离散系统的单位阶跃响应可知:
当采样周期较
小时,实现表示的连续系统与虚线表示的离散系统响应比较接近,表明离散化后
动态性能的损失较小。
(3)单位斜坡
(3.1)程序如图:
(3.2)系统响应曲线如图
连续系统和离散系统的单位斜坡响应可得:
虚线代表斜坡输入,离散
系统的斜坡输出有纹波。
(1)程序如下:
(2)单位阶跃响应曲线如下:
由系统在单位阶跃响应可知:
超调量为零,调节时间为1ms,系统具有稳
定且快速的响应,在单位阶跃输入下为一拍系统。
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