实验三 用Matlab 进行状态空间分析及设计
一、实验目的：
掌握使用MATLAB 进行及状态空间分析及状态反馈控制系统的设计。 二、实验内容
实验内容一：系统状态空间模型如下：
010*******A ????=????---??
;001B ??
??=??????;
[]100C =
（1） 求其传递函数，由传递函数求系统的极点；
（2） 由上述状态空间模型，求系统的特征值； （3） 求上述系统状态转移矩阵；
（4） 求其在x0=[2; 1; 2], u 为单位阶跃输入时x 及y 的响应； （5） 分析上述系统的可控性、可观性；
（6） 将上述状态空间模型转换为其他标准形式；
（7） 取T=[1 2 4;0 1 0;0 0 1] 对上述状态空间模型进行变换，分析变换后的系统。 实验matlab 程序：
A=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6];
B=[0 0 1]';C=[1 0 0];D=0; %输入矩阵ABCD
sys1=ss(A,B,C,D) %显示ABCD 构成的状态空间模型
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D) %实现状态空间模型到传递函数模型的转换 sys2=tf(num,den) %得到系统按分子分母多项式降幂排列的传递函数 P=roots(den) %求出系统的极点
eig(sys1) % 由状态空间模型得到系统的特征值 syms t1
expm(A*t1) %求系统状态转移矩阵 x0=[2;1;2] %系统的初始状态 t=[0:0.1:20]'; %定义时间t u(1,1:201)=1*ones(1,201); %输入单位阶跃
[y t x]=lsim(sys1,u,t,x0); %计算系统的单位阶跃响应 figure(1)
plot(t,x(:,1),'-',t,x(:,2),'-',t,x(:,3),'-') %绘制系统单位输入响应状态曲线 xlabel('t/秒');ylabel('x(t)');title('单位阶跃输入响应状态曲线') grid
text(6,0.3,'x_1(t)') text(6,-1.5,'x_2(t)') text(6,1.8,'x_3(t)') figure(2)
plot(t,y);grid; %绘制系统单位输入响应输出曲线 xlabel('t/秒');ylabel('y(t)');title('系统单位输入响应输出曲线')
s=ctrb(A,B) %计算可控性矩阵S
f=rank(s) %通过rank 命令求可控矩阵的秩 n=length(A) %计算矩阵A 的维数
if f==n %判断系统的可控性disp('system is controlled')
else
disp('system is no controlled')
end
v=obsv(A,C) %计算可观性矩阵v
m=rank(v) %通过rank命令求可控矩阵的秩
if m==n %判断系统的可观性disp('system is observable')
else
disp('system is no observable')
End
sys3=canon(sys1,'modal') %将系统转化成对角线的标准形式
sys4=canon(sys1,'companion') %将系统转化成为A为伴随矩阵的标准形式T=[1 2 4;0 1 0;0 0 1] %输入变换矩阵
sys5=ss2ss(sys1,T) %得到变换后的状态空间模型
实验结果：
（1）传递函数及由此得到的系统的极点
极点p =[-3.0000 -2.0000 -1.0000]
（2）根据状态空间模型得到的系统的特征值（由语句eig(sys1)求出）ans =[-1.0000 -2.0000 -3.0000]
系统的特征值全部位于s平面的左半部分，由此判断出系统是一个稳定系统（3）求系统的状态转移矩阵（由语句syms t1 ；expm(A*t1)求出）
（4）求系统在x0=[2; 1; 2], u为单位阶跃输入时x及y的响应
记录曲线如下：
A:单位阶跃输入时状态变量X的响应曲线:
B：单位阶跃输入时系统输出y响应曲线
(5)系统的可控性，可观性分析
A.系统的可控性矩阵s为：
s = 0 0 1
0 1 -6
1 -6 25 则系统可控性矩阵的秩f=3，矩阵A的维数为n=3 得到系统的结果是system is controlled即系统是可控的
B.系统的可观性矩阵v为：
0 1 0
0 0 1 则系统可观性矩阵的秩m=3，矩阵A的维数为n=3
得到系统的结果是system is observable即系统是可观测的
实验结论：由运行结果可知该系统既可控也可观
（6）将原来的系统状态空间模型转化为以下俩种标准形式
A.转化为对角线的标准形式（由语句sys3=canon(sys1,'modal')求出）
B.转化成为A为伴随矩阵的标准形式（由语句sys4=canon(sys1,'companion')求出）
（6）T=[1 2 4;0 1 0;0 0 1] 对上述状态空间模型进行变换，分析变换后的系统的空间模型为（有语句T=[1 2 4;0 1 0;0 0 1] ;sys5=ss2ss(sys1,T) 实现）
对变换后的系统的空间模型进行可控可观性分析得到的结果是
系统的可控性矩阵s为
s=
0 1 0
0 0 1
可控性矩阵的秩f=3
得到系统的结果是system is controlled即系统是可控的
系统的可观性矩阵v为
v =
0 0 1
0 1 -6
1 -6 25
系统的可观测矩阵的秩m =3
得到系统的结果是system is observable即系统是可观测的
系统的特征根ans=[ -1.0000 -2.0000 -3.0000 ]
综上实验结果分析：
对变换后的系统进行可控性，可观性分析得到可控性矩阵的秩f=n-=3，可观测性矩阵的秩m=n=3由此经过变换后的系统仍即可控也可观，变换后系统的特征根仍为：ans =[1.0000 -2.0000 -3.0000] 与原来系统相同。为了便于研究系统的一些固有的特性，常常需要引进线性变换，例如在实验内容（5）中将A阵对角化，但是通过实验内容（6）知道经过线性变换后系统的一些固有特性：系统的特征值，传递矩阵，可控性，可观性等重要性质保持不变。特征值不变也说明系统的稳定性也不会发生变化。
实验内容二：分析下列系统的可控性、可观性
（1）
,
1
1
3
2
1
2
A
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
-
=
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
=
1
1
1
B;?
?
?
?
?
?
=
1
1
C
实验程序如下：
A=[0 2 0 0;0 1 -2 0;0 0 3 1;1 0 0 0];
B=[1 0;0 0;0 1;1 0];C=[0 1 0 0;0 0 1 0];D=0; sys1=ss(A,B,C,D)
s=ctrb(A,B)
f=rank(s)
n=length(A)
if f==n
disp('system is controlled')
else
disp('system is no controlled')
end
v=obsv(A,C)
m=rank(v)
if m==n
disp('system is observable')
else
disp('system is no observable') End
实验结果如下：
系统的可控性矩阵s 为： s =
1 0 0 0 0 -4 -4 -16 0 0 0 -
2 -2 -8 -10 -26 0 1 1
3
4 9 12 27 1 0 1 0 0 0 0 -4 可控性矩阵的秩f = 4 系统的维数n =4
得到系统的结果是system is controlled 即系统是可控的 系统的可观性矩阵v 为： v =
0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 -2 0 0 0 3 1 0 1 -8 -2 1 0 9 3 -2 1 -26 -8 3 2 27 9 系统的可观性矩阵秩m =4
得到系统的结果是system is observable 即系统是可观测的 综上说明该系统即是可控的也是可观测的
（2）????????????
???
???
??
??????-------=5000000015000000001000000011000000
00400000001400000000300000001
3A ????????????
?
???????
???
???=002900
6100347531
B ???
???=1700204163005013C
实验程序如下：
A=[-3 1 0 0 0 0 0 0;0 -3 0 0 0 0 0 0;0 0 -4 1 0 0 0 0;0 0 0 -4 0 0 0 0; 0 0 0 0 -1 1 0 0;0 0 0 0 0 -1 0 0;0 0 0 0 0 0 -5 1;0 0 0 0 0 0 0 5] B=[1 3;5 7;4 3;0 0;1 6;0 0;9 2;0 0] C=[3 1 0 5 0 0 3 6;1 4 0 2 0 0 7 1]
D=0
sys1=ss(A,B,C,D) s=ctrb(A,B) f=rank(s) n=length(A) if f==n
disp('system is controlled') else
disp('system is no controlled') end
v=obsv(A,C) m=rank(v) if m==n
disp('system is observable') else
disp('system is no observable') End
实验结果如下：
系统的可控性矩阵s 为： 可控性矩阵的秩 f=5 系统的维数n =8
得到系统的结果是system is no controlled 即系统是不可控的 系统的可观性矩阵v 为： 系统的可观性矩阵秩m =5
得到系统的结果是system is no observable 即系统是不可观测的 综上说明该系统即是不可控的也是不可观测的
（3）[]0103C ;2100B ;4214020100320001A =?????
?
??????=????????????-----= 实验程序如下：
A=[-1 0 0 0;2 -3 0 0;1 0 -2 0;4 -1 2 -4] B=[0 0 1 2]';C=[3 0 1 0];D=0; sys1=ss(A,B,C,D) s=ctrb(A,B) f=rank(s) n=length(A) if f==n
disp('system is controlled') else
disp('system is no controlled') end
v=obsv(A,C)
m=rank(v) if m==n
disp('system is observable') else
disp('system is no observable') End
实验结果如下：
系统的可控性矩阵s 为： s =
0 0 0 0 0 0 0 0 1 -2 4 -8 2 -6 20 -72 可控性矩阵的秩f = 2 系统的维数n =4
得到系统的结果是system is no controlled 即系统是不可控的 系统的可观性矩阵v 为： v =
3 0 1 0 -2 0 -2 0 0 0
4 0 4 0 -8 0 系统的可观性矩阵秩m =2
得到系统的结果是system is no observable 即系统是不可观测的 综上说明该系统即是不可控的也是不可观测的 实验内容三：系统状态空间模型如下，（1）判别系统的可控性；（2）设计状态反馈控制器使闭环极点为p=[-1,-10,-12];（3）求出闭环系统的传递函数和动态方程；（4）比较反馈前后系统的阶跃响应。
010*********A ????=????---??
;001B ??
??=??????;
[]100C =
实验程序如下：
A=[0 1 0;0 0 1;-50 -25 -12];
B=[0 0 1]';C=[1 0 0];D=0; %输入矩阵ABCD
sys1=ss(A,B,C,D) %显示ABCD 构成的状态空间模型 s=ctrb(A,B) %计算可控性矩阵S
f=rank(s) %通过rank 命令求可控矩阵的秩 n=length(A) %计算矩阵A 的维数 if f==n %判断系统的可控性 disp('system is controlled') else
disp('system is no controlled')
end
v=obsv(A,C) %计算可观性矩阵v
m=rank(v) %通过rank命令求可控矩阵的秩
if m==n %判断系统的可观性disp('system is observable')
else
disp('system is no observable')
End
p=[-1,-10,-12] %希望配置的闭环极点
k=place(A,B,p) %求状态反馈矩阵
A1=A-B*k %求状态反馈控制系统闭环状态矩阵
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D) %实现原来状态空间模型到传递函数模型的转换sys2=tf(num,den) %求原来状态空间模型的传递函数
[num1,den1]=ss2tf(A1,B,C,D) %实现配置后状态空间模型到传递函数模型的转换sys3=tf(num1,den1) %求配置后状态空间模型的传递函数
sys4=ss(A,B,C,D) %原来系统的动态方程即状态空间模型
Sys5=ss(A1,B,C,D) %重新配置后的动态方程即状态空间模型
t=0:0.1:20 %定义时间t
[y1,t,x1]=step(sys1,t) %计算原来系统的单位阶跃响应
figure(1)
subplot(2,1,1)
plot(t,x1); %绘制系统的单位阶跃响应状态曲线
grid
xlabel('t/秒');ylabel('x1（t）');title('before change step response')
[y2,t,x2]=step(sys2,t) %计算重新配置后系统的单位阶跃响应
subplot(2,1,2)
plot(t,x2); %绘制重新配置后系统的单位阶跃响应状态曲线grid
xlabel('t/秒');ylabel('x2（t）');title('after change step response')
figure(2)
subplot(2,1,1)
plot(t,y1); %绘制系统的单位阶跃响应输出曲线
grid
xlabel('t/秒');ylabel('y1（t）');title('before change step response')
subplot(2,1,2)
plot(t,y2); %绘制重新配置后系统的单位阶跃响应输出曲线grid
xlabel('t/秒');ylabel('y2（t）');title('after change step response')
实验结果
（1）判别系统的可控性
系统的可控性矩阵s为：
s =
0 0 1
0 1 -12
1 -1
2 119
可控性矩阵的秩f = 3
系统的维数n =3
得到系统的结果是system is controlled即系统是可控的
系统的可观性矩阵v为：
v =
1 0 0
0 1 0
0 0 1
系统的可观性矩阵秩m =3
得到系统的结果是system is observable即系统是可观测的
综上说明该系统即是可控的也是可观测的
（2）设计状态反馈控制器使闭环极点为p=[-1,-10,-12];
所求状态反馈增益矩阵为k=[70.0000 117.0000 11.0000]
状态反馈控制系统闭环状态矩阵:
A1 =
0 1 0
0 0 1
-120 -142 -23
（3）求出闭环系统的传递函数和动态方程
改变前系统传递函数改变后系统传递函数
改变前系统的动态方程
改变后系统动态方程
（4）比较反馈前后系统的阶跃响应A.系统的单位阶跃响应状态曲线
B.系统的单位阶跃响应输出曲线
实验分析：
下面对系统进行理论分析：通过终值定理有s→0时有Y（∞）=lim[s*G(S)U(S)] 其中U为单位阶跃U(s)=1/s 即：s*1
Y（∞）=lim[s*G(S)U(S)]=lim[ -------------------------- * 1/s ]
s^3 + 23 s^2 + 142 s + 120
Y（∞）=1/120=0.00833
在分析系统的极点配置问题上首先要判断原来的系统是完全可控，如果系统不是完全可控的，则不能进行极点的配置，所谓的极点配置就是利用状态反馈或输出反馈使系统的极点位于所希望的极点位置，通过对原来系统的传递函数和动态方程及在单位阶跃输入下，加状态反馈后系统更容易稳定，即系统抗干扰性提高。
《自动控制原理》 实验报告 姓名： 学号： 专业： 班级： 时段： 成绩： 工学院自动化系
实验一 典型环节的 MATLAB仿真 一、实验目的 1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G200 , 100 2 ) ( 2 1 1 2 1 2= = - = - = - = 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。 三、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 ①比例环节1 ) ( 1 = s G和2 ) ( 1 = s G； ②惯性环节 1 1 ) ( 1+ = s s G和 1 5.0 1 ) ( 2+ = s s G ③积分环节 s s G1 ) ( 1 = ④微分环节s s G= ) ( 1 ⑤比例+微分环节（PD）2 ) ( 1 + =s s G和1 ) ( 2 + =s s G ⑥比例+积分环节（PI） s s G1 1 ) ( 1 + =和s s G21 1 ) ( 2 + = 四、实验结果及分析 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形
① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节
自动控制原理实验 实验报告 实验三闭环电压控制系统研究 学号姓名 时间2014年10月21日 评定成绩审阅教师
实验三闭环电压控制系统研究 一、实验目的： （1）通过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。 （2）会正确实现闭环负反馈。 （3）通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 二、预习与回答： （1）在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？ 答：负反馈闭环，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下： 1.系统开环； 2.输入一个增或减的变化量； 3.相应的，反馈变化量会有增减； 4.若增大，也增大，则需用减法器； 5.若增大，减小，则需用加法器，即。 （2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？ 答：闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。 但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。 因此，闭环的电压值更接近2V。 （3）学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？ 答：应当是系统的整体框架及误差调节部分。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。 二、实验原理： （1）利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上的“相似性”，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表达、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真的形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就可以“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理对象，而“模拟实物”的实验方式可以做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替代各种实际物理对象。
实验一MATLAB 仿真基础 一、实验目的： （1）熟悉MATLAB 实验环境，掌握MATLAB 命令窗口的基本操作。 （2）掌握MATLAB 建立控制系统数学模型的命令及模型相互转换的方法。 （3）掌握使用MATLAB 命令化简模型基本连接的方法。 （4）学会使用Simulink 模型结构图化简复杂控制系统模型的方法。 二、实验设备和仪器 1．计算机；2. MATLAB 软件 三、实验原理 函数tf ( ) 来建立控制系统的传递函数模型，用函数printsys ( ) 来输出控制系统的函数，用函数命令zpk ( ) 来建立系统的零极点增益模型，其函数调用格式为：sys = zpk ( z, p, k )零极点模型转换为多项式模型[num , den] = zp2tf ( z, p, k ) 多项式模型转化为零极点模型 [z , p , k] = tf2zp ( num, den ) 两个环节反馈连接后，其等效传递函数可用feedback ( ) 函数求得。 则feedback （）函数调用格式为： sys = feedback （sys1, sys2, sign ） 其中sign 是反馈极性，sign 缺省时，默认为负反馈，sign ＝-1；正反馈时，sign ＝1；单位反馈时，sys2＝1，且不能省略。 四、实验内容： 1.已知系统传递函数，建立传递函数模型 2.已知系统传递函数，建立零极点增益模型 3．将多项式模型转化为零极点模型 1 2s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(332 2++++++= s s s s s s s s G 12s 2s s 3s (s)23++++= G )12()1()76()2(5)(3322++++++=s s s s s s s s G
实验一 MATLAB 仿真基础 、实验目的: (1) 熟悉MATLAB 实验环境，掌握MATLAB 命令窗口的基本操作。 (2) 掌握MATLAB 建立控制系统数学模型的命令及模型相互转换的方法。 (3) 掌握使用MATLAB 命令化简模型基本连接的方法。 (4) 学会使用Simulink 模型结构图化简复杂控制系统模型的方法。 二、实验设备和仪器 1 ?计算机；2. MATLAB 软件 三、实验原理 函数tf ()来建立控制系统的传递函数模型，用函数printsys ()来输出控制系 统的函数，用函数命令zpk ()来建立系统的零极点增益模型，其函数调用格式 为：sys = zpk ( z, p, k 零极点模型转换为多项式模型[num , den] = zp2tf ( z, p, k ) 多项式模型转化为零极点模型 [z , p , k] = tf2zp ( num, den ) 两个环节反馈连接后，其等效传递函数可用 feedback ()函数求得。 则 feedback ()函数调用格式为： sys = feedback (sysl, sys2, sigh 其中sign 是反馈极性，sign 缺省时，默认为负反馈，sign = -1；正反馈时, sig n = 1;单位反馈时，sys2= 1，且不能省略。 四、实验内容： 1. 已知系统传递函数，建立传递函数模型 2 2 5(s 2) (s 6s 7) 3 3 s(s 1) (s 2s 1) 2. 已知系统传递函数，建立零极点增益模型 s 3 飞 2~ s 2s 2s 1 3 ?将多项式模型转化为零极点模型 5(s 2)2(s 2 6s 7) G(s) s 3 s 3 2s 2 2s 1 G(s) G(s)
自动控制理论实验报告人： 赵振根 02020802班 2008300597
卫星三轴姿态飞轮控制系统设计 一：概述 1.1．坐标系选择与坐标变换 在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。 （1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o O X 轴在轨 道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o O Y 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系 （2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b O X ，b O Y ，b OZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。其中b O X 为滚动轴， b O Y
为俯仰轴， OZ为偏航轴。 b 1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点 长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。 与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。 然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。 1.3 飞轮姿态控制原理 从动力学角度看，卫星姿态运动时卫星角动量作用的结果，飞轮则是通过与卫星间的角动量的交换来实现姿态控制，要使卫星在轨道上保持三轴稳定并对地定向。卫星的角动量H应该不变，且方向与轨
目录 实验装置介绍 (1) 实验一一、二阶系统阶跃响应 (2) 实验二控制系统稳定性分析 (5) 实验三系统频率特性分析 (7) 实验四线性系统串联校正 (9) 实验五 MATLAB及仿真实验 (12)
实验装置介绍 自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法；另一方面，帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。 TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构 TAP-2型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。如上图所示，TAP-2型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A 接口板、模拟实验台和打印机组成。计算机负责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A 板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。 实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理的典型环节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID 、状态反馈与状态观测器等相应实验。 显示器 计算机 打印机 模拟实验台 AD/DA 卡
实验一一、二阶系统阶跃响应 一、实验目的 1．学习构成一、二阶系统的模拟电路，了解电路参数对系统特性的影响；研究二阶系统的两个重要参数：阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对动态性能的影响。 2．学习一、二阶系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算一、二阶系统的传递函数。 二、实验仪器 1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验原理 模拟实验的基本原理： 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟一、二阶系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟一、二阶系统，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。 若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 四、实验内容 构成下述系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1．一阶系统的模拟电路如图
2010-2011 学年第1 学期 院别: 控制工程学院 课程名称: 自动控制原理 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：2010 年月日 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： ) s (Y ) s (R ) 12.0)(11.0(10 ++s s s ) (s G c ) s (D 控制器 电机和天线 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p c K s G =)(，通过绘制系统根轨迹图，确定使系统稳定的p K 值范围；并通过实验研究仅调节参数p K 是否能满足指标要求。要求至少选择三个p K 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)(s G c ,使系统满足性能指标要求。并通过实验
自动控制原理 实验报告 实验一典型系统的时域响应和稳定性分析 (2) 一、实验目的 (3) 二、实验原理及内容 (3) 三、实验现象分析 (5) 方法一：matlab程序 (5) 方法二：multism仿真 (12)
方法三：simulink仿真 (17) 实验二线性系统的根轨迹分析 (21) 一、确定图3系统的根轨迹的全部特征点和特征线，并绘出根轨迹 (21) 二、根据根轨迹图分析系统的闭环稳定性 (22) 三、如何通过改造根轨迹来改善系统的品质？ (25) 实验三线性系统的频率响应分析 (33) 一、绘制图1. 图3系统的奈氏图和伯德图 (33) 二、分别根据奈氏图和伯德图分析系统的稳定性 (37) 三、在图4中，任取一可使系统稳定的R值，通过实验法得到对应的伯德图，并据此导 出系统的传递函数 (38) 实验四、磁盘驱动器的读取控制 (41) 一、实验原理 (41) 二、实验内容及步骤 (41) （一）系统的阶跃响应 (41) （二) 系统动态响应、稳态误差以及扰动能力讨论 (45) 1、动态响应 (46) 2、稳态误差和扰动能力 (48) （三）引入速度传感器 (51) 1. 未加速度传感器时系统性能分析 (51) 2、加入速度传感器后的系统性能分析 (59) 五、实验总结 (64) 实验一典型系统的时域响应和稳定性分 析
一、 实验目的 1．研究二阶系统的特征参量（ξ、ωn ）对过渡过程的影响。 2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3．熟悉Routh 判据，用Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、 实验原理及内容 1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：见图1 图1 (2) 对应的模拟电路图 图2 (3) 理论分析 导出系统开环传递函数，开环增益0 1 T K K = 。 (4) 实验内容 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图2)， s 1T 0=， s T 2.01=，R 200 K 1= R 200 K =?
自动控制原理课程实验 2010-2011学年第一学期 02020801班 张驰2008300566
? 课本实验内容 6-26 热轧厂的主要工序是将炽热的钢坯轧成具有预定厚度和尺度的钢板，所得到的最终产品之一是宽为3300mm 、厚为180mm 的标准板材。他有两台主要的辊轧台：1号台与2号台。辊轧台上装有直径为508mm 的大型辊轧台，由4470km 大功率电机驱动，并通过大型液压缸来调节轧制宽度和力度。 热轧机的典型工作流程是：钢坯首先在熔炉中加热，加热后的钢坯通过1号台，被辊轧机轧制成具有预期宽度的钢坯，然后通过2号台，由辊轧机轧制成具有与其厚度的钢板，最后再由热整平设备加以整平成型。 热轧机系统控制的关键技术是通过调整热轧机的间隙来控制钢板的厚度。热轧机控制系统框图如下： 扰动)(s N )(s R （1）已知)54(/)(20++=s s s s s G ，而)(s G c 为具有两个相同实零点的PID 控制器。要求：选择PID 控制器的零点和增益，使闭环系统有两对对等的特征根； (2)考察（1）中得到的闭环系统，给出不考虑前置滤波器)(s G P 与配置适当)(s G P 时，系统的单位阶跃响应； （3）当)(s R =0，)(s N =1/s 时，计算系统对单位阶跃扰动的响应。 ? 求解过程 解：（1）已知 )54(/)(20++=s s s s s G )(s G P )(s G C )(0s G
选择 s z s K s G c /)()(2+= 当取K=4，Z=1.25时，有 s s s s s G c 4/25.610/)25.1(4)(2++=+= 系统开环传递函数 )54(/)25.1(4)()(2220+++=s s s s s G s G c 闭环传递函数：)25.61094/()5625.15.2(4))()(1/()()()(2 34200++++++=+=s s s s s s s G s G s G s G s c c φ （2） 当不考虑前置滤波器时，单位阶跃输入作用下的系统输出 )25.61094(/)5625.15.2(4)()()(2342++++++==s s s s s s s s R s s C φ 系统单位阶跃响应如图1中（1）中实线所示。 当考虑前置滤波器时，选 2)25.1/(5625.1)(+=s s G p 则系统在单位阶跃输入作用下的系统输出 )25.61094(/25.6)()()()(234++++==s s s s s s R s s G s C p φ 系统单位阶跃曲线如图1中（1）虚线所示。 （3）当)(s R =0，)(s N =1/s 时，扰动作用下的闭环传递函数 )25.61094/())()(1/()()(23400++++-=+-=s s s s s s G s G s G s c n φ 系统输出 )25.61094/(1)()()(2 34++++-==s s s s s N s s C n n φ 单位阶跃响应曲线如图1中（2）所示。 MATLAB 程序代码： MA TLAB 程序：exe626.m K=4;z=1.25; G0=tf(1,conv([1,0],[1,4,5])); Gc=tf(K*conv([1,z],[1,z]),[1,0]); Gp=tf(1.5625,conv([1,z],[1,z])); G1=feedback(Gc*G0,1); G2=series(Gp,G1); G3=-feedback(G0,Gc); t=0:0.01:10; [x,y]=step(G1,t);[x1,y1]=step(G2,t); figure(1);plot(t,x,'-',t,x1,':');grid
自动控制原理实验 实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析 一、实验目的 ⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。 ⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。 二、实验设备 ⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。 ⑵ 数字万用表。 三、实验内容 １．比例环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 = )(s G ) () (s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )() (t r dt t dc T = 传递函数 s K Ts s G ==1)( 模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 ３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (t Kr t c dt t dc T =+ 传递函数 1 )(+=TS K S G 模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃
响应曲线，并打印曲线。 ４．二阶系统的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (2)(2 22 t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ 传递函数 121 )(22++=Ts s T s G ξ2 2 2 2n n n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。 ⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。 四、实验步骤 ⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。 ⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。 ⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。 五．实验预习 ⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。 ⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。 六．实验报告 ⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。分析各参数变化对其阶跃响应的影响，与估计的理论曲线进行比较，不符请分析原因。 ⑵ 由二阶环节的实验曲线求得σ﹪、t s 、t p ，与理论值进行比较，并分析σ﹪、t s 、t p 等和T 、ξ的关系。 实验二 随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性 一．实验目的 了解开环控制系统、闭环控制系统的实际结构及工作状态；控制系统稳定的概念以及系统开环比例系数与系统稳定性的关系。 二．实验要求 能按实验内容正确连接实验线路，正确使用实验所用测试仪器，在教师指导下独立
实验三 用MATLAB 实现线性系统的频域分析 实验目的： 1．掌握MATLAB 平台下绘制典型环节及系统开环传递函数的Bode 图和Nyquis 图（极坐标图）绘制方法； 2．掌握利用Bode 图和Nyquis 图对系统性能进行分析的理论和方法。 实验要求： 1．根据内容要求，写出调试好的MATLAB 语言程序，及对应的结果。 2. 记录显示的图形，根据实验结果与各典型环节的频率曲线对比分析。 3. 记录并分析ζ对二阶系统bode 图的影响。 4．根据频域分析方法分析系统，说明频域法分析系统的优点。 5．写出实验的心得与体会。 实验内容： 1．典型二阶系统 2 2 22)(n n n s s s G ωζωω++= 绘制出6=n ω，1.0=ζ，0.3，0.5，0.8，2的bode 图，记录并分析ζ对系统bode 图的影响。 Bode 图程序： wn=6;znb=[0.1 0.3 0.5 0.8 2]； w=logspace(0,2,10000);figure(1);n=[wn^2]; for k=znb d=[1 2*k*wn wn^2];sys=tf(n,d);bode(sys,w);hold on; end 运行结果：
结果分析： 从图中可看出ζ越小，中频段振荡越剧烈。该二阶系统是典型的振荡环节， 谐振频率 )2 20(2122 2≤<*-*=ζζωωn r ，谐振峰值 )220(121222≤<-**=ζζζr M 当22 02 <<ζ时， r ω,r M 均为ζ的减函数，ζ越小，r M ，r ω越大，振荡幅度越大，超调量越大，过程越不平稳且系统响应速 度越慢，当 12 2 2 <<ζ时。)(ωA 单调减小，此时无谐振峰值和谐振频率，过程较平稳。 2．系统的开环传递函数为 )5)(15(10 )(2+-= s s s s G )106)(15() 1(8)(22 ++++=s s s s s s G )11.0)(105.0)(102.0() 13/(4)(++++= s s s s s s G 绘制系统的Nyquist 曲线、Bode 图，说明系统的稳定性。
实验三 用Matlab 进行状态空间分析及设计 一、实验目的： 掌握使用MATLAB 进行及状态空间分析及状态反馈控制系统的设计。 二、实验内容 实验内容一：系统状态空间模型如下： 100016116A ????=?? ??---?? ;001B ????=??????;[]100C = （1） 求其传递函数，由传递函数求系统的极点； （2） 由上述状态空间模型，求系统的特征值； （3） 求上述系统状态转移矩阵； （4） 求其在x0=[2; 1; 2], u 为单位阶跃输入时x 及y 的响应； （5） 分析上述系统的可控性、可观性； （6） 将上述状态空间模型转换为其他标准形式； （7） 取T=[1 2 4;0 1 0;0 0 1] 对上述状态空间模型进行变换，分析变换后的系统。 实验matlab 程序： A=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6]; B=[0 0 1]';C=[1 0 0];D=0; %输入矩阵ABCD sys1=ss(A,B,C,D) %显示ABCD 构成的状态空间模型 [num,den]=ss2tf(A,B,C,D) %实现状态空间模型到传递函数模型的转换 sys2=tf(num,den) %得到系统按分子分母多项式降幂排列的传递函数 P=roots(den) %求出系统的极点 eig(sys1) % 由状态空间模型得到系统的特征值 syms t1 expm(A*t1) %求系统状态转移矩阵 x0=[2;1;2] %系统的初始状态 t=[0:0.1:20]'; %定义时间t u(1,1:201)=1*ones(1,201); %输入单位阶跃 [y t x]=lsim(sys1,u,t,x0); %计算系统的单位阶跃响应 figure(1) plot(t,x(:,1),'-',t,x(:,2),'-',t,x(:,3),'-') %绘制系统单位输入响应状态曲线 xlabel('t/秒');ylabel('x(t)');title('单位阶跃输入响应状态曲线') grid text(6,0.3,'x_1(t)') text(6,-1.5,'x_2(t)') text(6,1.8,'x_3(t)') figure(2) plot(t,y);grid; %绘制系统单位输入响应输出曲线 xlabel('t/秒');ylabel('y(t)');title('系统单位输入响应输出曲线') s=ctrb(A,B) %计算可控性矩阵S f=rank(s) %通过rank 命令求可控矩阵的秩 n=length(A) %计算矩阵A 的维数
实验二 线性系统时域响应分析 一、实验目的 1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在 单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。 2．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。 3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。 二、基础知识及MATLAB 函数 （一）基础知识 时域分析法直接在时间域中对系统进行分析，可以提供系统时间响应的全部 信息，具有直观、准确的特点。为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）。本次实验从分析系统的性能指标出发，给出了在MATLAB 环境下获取系统时域响应和分析系统的动态性能和稳态性能的方法。 用MATLAB 求系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分 别以s 的降幂排列写为两个数组num 、den 。由于控制系统分子的阶次m 一般小于其分母的阶次n ，所以num 中的数组元素与分子多项式系数之间自右向左逐次对齐，不足部分用零补齐，缺项系数也用零补上。 1．用MATLAB 求控制系统的瞬态响应 1） 阶跃响应 求系统阶跃响应的指令有： step(num,den) 时间向量t 的范围由软件自动设定，阶跃响应曲线随 即绘出 step(num,den,t) 时间向量t 的范围可以由人工给定（例如t=0:0.1:10） [y ，x]=step(num,den) 返回变量y 为输出向量，x 为状态向量 在MATLAB 程序中，先定义num,den 数组，并调用上述指令，即可生成单位 阶跃输入信号下的阶跃响应曲线图。 考虑下列系统： 25 425)()(2++=s s s R s C 该系统可以表示为两个数组，每一个数组由相应的多项式系数组成，并且以s 的降幂排列。则MATLAB 的调用语句：
《自动控制原理》课程实验报告 实验名称系统根轨迹分析 专业班级 *********** ********* 学 号 姓名** 指导教师李离 学院名称电气信息学院 2012 年 12 月 15 日
一、实验目的 1、掌握利用MATLAB 精确绘制闭环系统根轨迹的方法； 2、了解系统参数或零极点位置变化对系统根轨迹的影响； 二、实验设备 1、硬件：个人计算机 2、软件：MATLAB 仿真软件（版本6.5或以上） 三、实验内容和步骤 1．根轨迹的绘制 利用Matlab 绘制跟轨迹的步骤如下： 1） 将系统特征方程改成为如下形式：1 + KG ( s ) = 1 + K ) () (s q s p =0， 其中，K 为我们所关心的参数。 2） 调用函数 r locus 生成根轨迹。 关于函数 rlocus 的说明见图 3.1。 不使用左边的选项也能画出根轨迹，使用左边的选项时，能 返回分别以矩阵和向量形式表征的特征根的值及与之对应的增益值。 图3.1 函数rlocus 的调用 例如，图 3.2 所示系统特征根的根轨迹及其绘制程序见图 3.3。
图3.2 闭环系统一 图3.3 闭环系统一的根轨迹及其绘制程序
图 3.4 函数 rlocfind 的使用方法 注意：在这里，构成系统 s ys 时，K 不包括在其中，且要使分子和分母中 s 最高次幂项的系数为1。 当系统开环传达函数为零、极点形式时，可调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys = zpk([zero],[pole],1); 当系统开环传达函数无零点时，[zero]写成空集[]。 对于图 3.2 所示系统， G(s)H(s)= )2()1(++s s s K *11+s =) 3)(2() 1(+++s s s s K . 可如下式调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys=zpk([-1],[0 -2 -3],1) 若想得到根轨迹上某个特征根及其对应的 K 的值，一种方法是在调用了函数 rlocus 并得到了根 轨迹后调用函数 rlocfind 。然后，将鼠标移至根轨迹图上会出现一个可移动的大十字。将该十字的 中心移至根轨迹上某点，再点击鼠标左键，就可在命令窗口看到该点对应的根值和 K 值了。另外一种 较为方便的做法是在调用了函数 rlocus 并得到了根轨迹后直接将鼠标移至根轨迹图中根轨迹上某
实验一 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 1、比例环节 可知比例环节的传递函数为一个常数： 当Kp 分别为0.5，1，2时，输入幅值为1.84的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为0.92，1.84，3.68的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为0.94，1.88，3.70的反向阶跃信号， 相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%. 在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。 2、 积分环节 积分环节传递函数为： （1）T=0.1(0.033)时，C=1μf (0.33μf )，利用MATLAB ，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图： T=0.1 T=0.033 与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上T=0.033时的波形斜率近似为T=0.1时的三倍，实际上为8/2.6=3.08，在误差允许范围内可认为满足理论条件。 3、 惯性环节 惯性环节传递函数为： i f i o R R U U -=TS 1 CS R 1Z Z U U i i f i 0-=-=-=1 TS K )s (R )s (C +-=
K = R f /R 1,T = R f C, （1） 保持K = R f /R 1 = 1不变，观测T = 0.1秒，0.01秒（既R 1 = 100K,C = 1μf ， 0.1μf ）时的输出波形。利用matlab 仿真得到理论波形如下： T=0.1时 t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3%,读数误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值较 为接近。 T=0.01时 t s （5%）理论值为30ms,实际测得t s =40ms 相对误差为：（40-30）/30=33.3% 由于ts 较小，所以读数时误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值较为接近 （2） 保持T = R f C = 0.1s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。 K=1时波形即为（1）中T0.1时波形 K=2时，利用matlab 仿真得到如下结果： t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3% 读数误差较大 K 理论值为2，实验值4.30/2.28， 相对误差为（2-4.30/2.28）/2=5.7% 与理论值较为接近。
实验二二阶系统的动态过程分析 一、 实验目的 1. 掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术。 2. 定量分析二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。 3. 加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的 性质。 4. 了解和学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和Simulink 实现方法。 二、 实验内容 1. 分析典型二阶系统()G s 的ξ和n ω变化时，对系统的阶跃响应的影响。 2. 用实验的方法求解以下问题： 设控制系统结构图如图2.1所示，若要求系统具有性能： %20%,1,p p t s σσ=== 试确定系统参数K 和τ，并计算单位阶跃响应的特征量d t ，r t 和s t 。 图2.1 控制系统的结构图 3. 用实验的方法求解以下问题： 设控制系统结构图如图2.2所示。图中，输入信号()r t t θ=，放大器增益A K 分别取13.5，200和1500。试分别写出系统的误差响应表达式，并估算其性能指标。 图2.2 控制系统的结构图
三、实验原理 任何一个给定的线性控制系统，都可以分解为若干个典型环节的组合。将每个典型环节的模拟电路按系统的方块图连接起来，就得到控制系统的模拟电路图。 通常，二阶控制系统 2 22 () 2 n n n G s s ω ξωω = ++ 可以分解为一个比例环节、一个惯性环节和一个积分环节，其结构原理如图 2.3所示，对应的模拟电路图如图2.4所示。 图2.3 二阶系统的结构原理图 图2.4 二阶系统的模拟电路原理图 图2.4中：()(),()() r c u t r t u t c t ==-。 比例常数（增益系数）2 1 R K R =，惯性时间常数 131 T R C =，积分时间常数242 T R C =。其闭环传递函数为： 12 2 21 112 () 1 ()(1) c r K U s TT K K U s T s T s K s s T TT == ++++ (0.1) 又：二阶控制系统的特性由两个参数来描述，即系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频
第九章 线性系统的状态空间分析与综合 在第一章至第七章中，我们曾详细讲解了经典线性系统理论以及用其设计控制系统的方法。可以看到，经典线性理论的数学基础是拉普拉斯变换和z 变换，系统的基本数学模型是线性定常高阶微分方程、线性常系数差分方程、传递函数和脉冲传递函数，主要的分析和综合方法是时域法、根轨迹法和频域法，分析的主要内容是系统运动的稳定性。经典线性系统理论对于单输入-单输出线性定常系统的分析和综合是比较有效的，但其显著的缺点是只能揭示输入-输出间的外部特性，难以揭示系统内部的结构特性，也难以有效处理多输入-多输出系统。 在50年代蓬勃兴起的航天技术的推动下，在1960年前后开始了从经典控制理论到现代控制理论的过渡，其中一个重要标志就是卡尔曼系统地将状态空间概念引入到控制理论中来。现代控制理论正是在引入状态和状态空间概念的基础上发展起来的。 在现代控制理论的发展中，线性系统理论首先得到研究和发展，已形成较为完整成熟的理论。现代控制理论中的许多分支，如最优控制、最优估计与滤波、系统辨识、随机控制、自适应控制等，均以线性系统理论为基础；非线性系统理论、大系统理论等，也都不同程度地受到了线性系统理论的概念、方法和结果的影响和推动。 现代控制理论中的线性系统理论运用状态空间法描述输入-状态-输出诸变量间的因果关系，不但反映了系统的输入—输出外部特性，而且揭示了系统内部的结构特性，是一种既适用于单输入--单输出系统又适用于多输入—多输出系统，既可用于线性定常系统又可用于线性时变系统的有效分析和综合方法。 在线性系统理论中，根据所采用的数学工具及系统描述方法的不同，又出现了一些平行的分支，目前主要有线性系统的状态空间法、线性系统的几何理论、线性系统的代数理论、线性系统的多变量频域方法等。由于状态空间法是线性系统理论中最重要和影响最广的分支，加之受篇幅限制，所以本章只介绍线性系统的状态空间法。 9-1 线性系统的状态空间描述 1. 系统数学描述的两种基本类型 这里所谓的系统是指由一些相互制约的部分构成的整体，它可能是一个由反馈闭合的整体，也可能是某一控制装置或受控对象。本章中所研究的系统均假定具有若干输入端和输出端，如图9-1所示。图中方块以外的部分为系统环境，环境对系统的作用为系统输入，系统对环境的作用为系统输出；二者分别用向量12[,,...,] T p u u u u =和 12[,,...,] T q y y y y =表示，它们均为系统的外部变量。描述系统内部每个时刻所处状况的
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 实验名称: PID控制特性的实验研究实验教室: 6111 指导教师: 小组成员（姓名，学号）: 实验日期：2013 年12 月12 日评分：
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、比例控制 （1）过阻力 a、取k为3和2 b、控制器选择 c,仿真的程序 k1=14; k2=15; num1=k1; num2=k2; den1=[1 8 k1]; den2=[1 8 k2]; sys1=tf(num1, den1); sys2=tf(num2, den2); t=[0:0.1:10]; step(sys1,t); hold on; step(sys2,t); xlabel('Time(s)') ylabel('step reponse y(t)') 2、临界阻力 a、取k为4 b、控制器选择 c、仿真的程序
k1=16; num1=k1; den1=[1 8 k1]; sys1=tf(num1, den1); t=[0:0.1:10]; step(sys1,t); hold on; xlabel('Time(s)') ylabel('step reponse y(t)') 3、欠阻力 a、k取168和138 b、控制系统选择 c、 仿真的程序 k1=180; k2=150; num1=k1; num2=k2; den1=[1 8 k1]; den2=[1 8 k2]; sys1=tf(num1, den1); sys2=tf(num2, den2); t=[0:0.1:10]; step(sys1,t); hold on; step(sys2,t); xlabel('Time(s)') ylabel('step reponse y(t)') 2、比例积分控制 （1）引入开环零点在被控对象两个极点的左侧 a、取KP为2，KI为16 b、控制器选择
自动控制原理实验讲义 郭烜 内蒙古民族大学物理与电子信息学院 信息与自动化技术教研室 2012年8月
目录 绪论 第一章自动控制原理实验 实验一MATLAB软件和THDAQ虚拟实验设备的使用 实验二控制系统的单位阶跃响应 实验三高阶系统的时域动态性能和稳定性研究 实验四线性系统的根轨迹 实验五线性系统的频域分析 实验六线性系统校正与PID控制器设计 第二章自动控制原理模拟实验环境简介 第一节MATLAB软件系统与Simulink仿真工具 第二节CZ-AC型自动控制原理实验箱与THDAQ虚拟实验设备
绪论 《自动控制原理》是电子信息专业的专业基础课程，自动控制原理实验课程是一门理论验证型实验课程，结合自动控制理论课开设了一系列相应的实验，使学生理论与实践结合，更好的掌握控制理论。通过实验，学生可以了解典型环节的特性，模拟方法及控制系统分析与校正方法，掌握离散控制系统组成原理，调试方法；使学生加深对控制理论的理解和认识，同时有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，拓宽学生的专业面和知识面，为以后的深入学习与工作打下良好的扎实的基础。
第一章 自动控制原理实验 实验一 MATLAB 软件与THDAQ 虚拟实验设备的使用 一、实验目的 1. 学习MA TLAB 软件、动态仿真环境Simulink 以及THDAQ 虚拟实验设备的正确使用方法。 2. 掌握建立控制系统数学模型的初步方法。 二、实验设备 计算机、MATLAB 软件、CZ-AC 型自动控制原理实验箱、THDAQ 虚拟实验设备、万用表 三、实验内容及原理 1. MA TLAB 基本运算 见第二章1.4节： MATLAB 基本运算 2. 用MATLAB 建立控制系统数学模型 控制系统常用的三种数学模型： <1>传递函数模型(多项式模型) m n s den s num a s a s a b s b s b s G n n n n m m m m ≥= ++++++=----)()()(0 11011ΛΛ 用函数tf()建立控制系统传递函数模型： ]; ,,,[];,,,[0101a a a den b b b num n n m m ΛΛ--== 命令调用格式：sys=tf(num, den) 或 printsys(num, den) 也可以用多项式乘法函数conv()输入num/den 如：) 12()1() 76()2(5)(3 322++++++=s s s s s s s s G ， num=5*conv(conv([1,2],[1,2]),[1,6,7]) <2>零极点模型 调用格式：z=[z 1,z 2,…,z m ]; p=[p 1,p 2,…,p n ]; k=[k]; sys=zpk(z, p, k) <3>部分分式展开式模型 调用格式：[r, p, k]=residue(num, den)