自動控制理論實驗

1、自動控制理論實驗,電氣與新能源學院自動化系實驗地點：電氣科學樓E2-209,課程簡介,課時安排：4學時（1+1+2）成績評定：實驗過程10分+實驗報告（三份）5分實驗內(nèi)容：一、控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析（1學時）（對應(yīng)實驗指導書實驗四） 二、控制系統(tǒng)的根軌跡分析（1學時）（對應(yīng)實驗指導書實驗六） 三、控制系統(tǒng)的頻域分析（2學時）（對

2、應(yīng)實驗指導書實驗七）使用教材：自動控制理論實驗指導書,實驗要求,要求人手一本實驗指導書（或電子版）；實驗過程要求嚴格遵守紀律，有吵鬧、手機上網(wǎng)、干與實驗無關(guān)的事情等情況的將扣除相應(yīng)的實驗過程分；希望提前完成實驗內(nèi)容的同學能夠充分利用實驗機會，自主學習指導書上的思考與練習；實驗報告的內(nèi)容主要包括：實驗目的、實驗過程、實驗原始記錄、實驗分析與結(jié)論。實驗報告必須寫明網(wǎng)選班號和個人序號，實驗報告分成三份，圖表按順序分開排好。同一個實驗的

3、圖表盡量壓縮在一張紙上；按時提交實驗報告（實驗后二周內(nèi)），報告不允許抄襲。,MATLAB簡介,,目前，MATLAB已經(jīng)成為國際最流行的科學與工程計算軟件之一。它以模塊化的計算方法、可視化與智能化的人機交互功能、豐富的矩陣運算、圖形繪制和數(shù)據(jù)處理函數(shù)，以及模塊化的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具，成為控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真領(lǐng)域最受歡迎的軟件系統(tǒng)。 在歐、美大學的應(yīng)用代數(shù)、數(shù)量統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析

4、、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書中，都把MATLAB作為其中的內(nèi)容。,MATLAB簡介,1、有高性能數(shù)值計算的高級算法，特別適合矩陣代數(shù)領(lǐng)域；,2、有大量事先定義的數(shù)學函數(shù)，并且有很強的用戶自定義函數(shù)的能力；,3、有強大的繪圖功能；,4、有完整的幫助功能；,5、適合個人應(yīng)用的強有力的面向矩陣（向量）的高級程序設(shè)計語言；,6、具有與其它語言編寫的程序結(jié)合和輸入輸出格式化數(shù)據(jù)的能力；,7、有在多個應(yīng)用領(lǐng)域解決難題的工具箱。,MATLAB簡介,,

5、在命令窗口中，可以直接輸入命令行來實現(xiàn)計算或作圖功能。,MATLAB簡介,,程序編輯器中編寫腳本文件（類似于批處理文件）和函數(shù)文件。,打開編輯器,編譯和運行,MATLAB簡介,,help命令,Help選項,MATLAB簡介,,單步執(zhí)行,變量輸入,命令執(zhí)行,MATLAB簡介,,錯誤說明,沒有分號,有分號,實驗過程注意,1、注意()與[]的區(qū)別；,2、注意空格、逗號和分號的區(qū)別；,3、注意單引號的字符區(qū)別（單引號中可以輸入中文）；,4、注意

6、保存圖表要用“另存為”，要改文件名；,5、注意及時保存圖表，電腦重啟后數(shù)據(jù)丟失。,實驗一：控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析,,實驗目的：1、掌握用MATLAB進行瞬態(tài)響應(yīng)分析計算的方法；2、掌握用MATLAB求系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的方法；3、掌握用MATLAB求系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)的方法；4、掌握用MATLAB求系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)的方法；5、掌握用MATLAB求系統(tǒng)對任意信號的響應(yīng)的方法。,實驗要求：1、實驗圖表的標題上必須注明姓名（中文

7、）和學號；2、按照實驗步驟獨立完成針對以傳遞函數(shù)表示的控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析。包括實驗步驟1、2、3、4、5中的傳遞函數(shù)部分，狀態(tài)空間部分不做要求。,實驗一：控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析,1、系統(tǒng)表示：以s的降冪排列,2、系統(tǒng)獲?。?系統(tǒng)的傳遞函數(shù)描述,實驗一：控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析,3、單位階躍響應(yīng)：,4、單位脈沖響應(yīng)：,計算系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),時間間隔取值,計算系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng),實驗一：控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析,5、圖形繪制：,6、任意

8、輸入信號的響應(yīng)：,計算系統(tǒng)在任意輸入和初始條件下的時間響應(yīng),在圖形上加網(wǎng)格線,繪制線性坐標圖形,r和t表示輸入信號,在當前圖形中添加標題,在圖形上添加坐標說明,在圖形上添加文字說明,實驗一：控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析,生成的圖表和數(shù)據(jù)：,1、步驟2中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線圖；,2、步驟3中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)曲線圖；,3、步驟4中，傳遞函數(shù)

9、 系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)曲線圖；,4、步驟5中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)曲線圖（包括輸入信號曲線）；,5、實驗步驟中要求的其它數(shù)據(jù)和分析。,實驗二：控制系統(tǒng)的根軌跡分析,實驗目的：1、掌握用MATLAB進行根軌跡分析的方法。,實驗要求：1、實驗圖表的標題上必須注明姓名和學號；2、按照實驗步驟獨立完成針對以傳遞函數(shù)表示的控制系統(tǒng)的根軌跡分析。包括實驗步驟1、2、3、5。,1、系統(tǒng)表示：以s的降

10、冪排列,2、s多項式乘積：,a、b兩個s多項式的乘積,實驗二：控制系統(tǒng)的根軌跡分析,特征方程,等效開環(huán)傳遞函數(shù),3、畫根軌跡：,4、確定增益：,計算根軌跡,由根軌跡的一組根確定相應(yīng)的增益,實驗二：控制系統(tǒng)的根軌跡分析,在rlocus命令之后使用，把可移動的x-y坐標覆蓋到屏幕上，利用鼠標把x-y坐標的原點配置到根軌跡希望的點上，并且點擊鼠標左鍵。在屏幕上會顯示該點的坐標、增益值、以及相當于該增益值的閉環(huán)極點。,打開根軌跡上阻尼比=0.5

11、的網(wǎng)格線（書上有錯誤）,5、圖形繪制：,繪制線性坐標圖形,將繪圖區(qū)域設(shè)置成平方縱橫比,設(shè)定坐標軸范圍,實驗二：控制系統(tǒng)的根軌跡分析,生成的圖表：,1、步驟2中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的根軌跡圖；,2、步驟3中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的根軌跡圖；,3、步驟5中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的根軌跡圖。,實驗二：控制系統(tǒng)的根軌跡

12、分析,5、實驗步驟中要求的其它數(shù)據(jù)和分析。,4、步驟5中要求的阻尼比=0.5的閉環(huán)極點、對應(yīng)增益值、對應(yīng)所有極點的坐標等數(shù)據(jù)和分析；,實驗三：控制系統(tǒng)的頻域分析,,實驗目的：1、掌握用MATLAB作Bode圖的方法；2、掌握用MATLAB作Nyquist圖的方法；3、掌握用MATLAB求系統(tǒng)的增益裕度、相位裕度、相位交接頻率、增益交接頻率的方法；4、掌握用MATLAB求閉環(huán)系統(tǒng)的諧振峰值、諧振頻率和帶寬的方法。,實驗要求：1、

13、實驗圖表的標題上必須注明姓名和學號；2、按照實驗步驟獨立完成針對以傳遞函數(shù)表示的控制系統(tǒng)的頻域分析。包括實驗步驟1、2、4。,1、畫伯德圖：,2、畫奈奎斯特圖：,生成伯德圖,系統(tǒng)頻率響應(yīng)的實部和虛部,頻率響應(yīng)的幅值和相角,實驗三：控制系統(tǒng)的頻域分析,指定頻率向量,生成奈奎斯特圖,3、開環(huán)系統(tǒng)特性：,4、閉環(huán)系統(tǒng)特性：,生成裕度和頻率,諧振峰值（分貝）,增益裕度、相位裕度、相位交接頻率、增益交接頻率,實驗三：控制系統(tǒng)的頻域分析,諧振頻率

14、,帶寬,4、其它命令：,實驗三：控制系統(tǒng)的頻域分析,生成的圖表：,1、步驟1中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的伯德圖；,2、步驟2中，傳遞函數(shù) 的開環(huán)系統(tǒng)伯德圖、幅值曲線半對數(shù)坐標圖、相角曲線半對數(shù)坐標圖、閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖；,3、步驟4中，傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的奈奎斯特圖；,實驗三：控制系統(tǒng)的頻域分析,5、實驗步驟中要求的其它數(shù)據(jù)和分析。,4、步驟2中要求的