自动控制原理matlab分析与设计仿真实验报告大学论文.doc

兰州理工大学

《自动控制原理》MATLAB分析与设计
仿真实验报告

学院：电气工程与信息工程学院
专业班级： 13级自动化3班
姓名：
学号：
时间： 2015年12月

第三章 线性系统的时域分析法
一、 教材第三章习题3.5
设单位反馈系统的开环传递函数为G(s)=
(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:程序如下。

B:系统响应曲线如下图。

(3) A:程序如下。

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：

分析：
(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。

峰值时间： 超调量： 调节时间：
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：

分析：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)A1 Simulink 接线图如下：

A2 程序如下。

(1.2)零极点分布及响应曲线如下。

分析：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“Disk Read System”
(1.1)A1 Simulink 接线图如下：

A2 程序如下。

(1.2)系统响应曲线如下：

分析：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
(1.1)程序如下：

(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。

(1.1)程序如下：

(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：

分析：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？

(1.1)程序如下：

(2.1)三种校正装置的根轨迹如下：

分析：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。要求：
(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)。
(1.1)程序如下：

(1.2)零极点分布图和根轨迹曲线如下：

分析：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

分析：
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

分析：
由图可知：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

分析：由图可知：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

分析：由图可知：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。

(1.1)程序如下：

(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：

分析：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
(1.1)程序如下：

(1.2)波形如下。

(1.3)校正前、校正后响应曲线如下：

三、英文讲义“Disk Read System”
(1.1)程序如下：

(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：

分析：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：

分析：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：

分析：
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：

分析：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

分析：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。

三、 英文讲义“Disk Read System”
(1)程序如下：

(2)单位阶跃响应曲线如下：

分析：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。