实验四 线性定常系统的稳态误差

线性系统的校正实验报告翻译：摘要：本实验通过给定的线性系统对其进行校正，在不同的频率下对系统进行稳态和瞬态测试，通过测试结果分析系统性能和误差，掌握线性系统的基本原理和校正方法。

引言：线性系统广泛应用于各种工业、科技领域，而线性系统的准确度和稳定性关系到整个系统的效率和安全性。

因此，对线性系统进行校正是保证其正常运行的必要手段。

本实验将针对一个给定的线性系统进行校正，分析其校正效果。

实验设计：1. 实验仪器本实验要求使用信号发生器、数字脉冲计数器和示波器。

2. 实验内容（1）信号发生器的设置设置输出波形类型和频率，使其跟线性系统的工作频率相同。

（2）数字脉冲计数器的设置通过数字脉冲计数器测试稳态和瞬态响应，并对脉冲计数器进行校准。

（3）示波器的设置观测线性系统的输出信号，分析系统的稳态和动态响应。

（4）线性系统的测试使用信号发生器输入不同频率的正弦波和方波信号，观测输出信号，并记录数字脉冲计数器的计数。

3.实验步骤（1）准备工作将信号发生器和示波器连接线性系统的输入和输出接口，调节信号发生器的频率和幅度。

（2）瞬态响应测试在信号发生器上输入方波信号，在示波器上观测输出信号的瞬态响应，通过计数器获取相关数据。

在信号发生器上输入正弦波信号，通过调整幅度和相位，使其和线性系统的工作频率相同，记录计数器的数据，并分析系统的稳态响应。

结果分析：通过本实验的测试，得到了不同频率下线性系统的稳态和瞬态响应。

观察稳态响应的幅频响应曲线，分析系统的性能。

通过瞬态响应和数字脉冲计数器的数据，计算误差，判断系统的准确度和稳定性。

运用基本的线性系统校准方法对系统进行校准，进一步提高系统的准确度和稳定性。

结论：。

本科实验报告课程名称：自动控制原理实验项目：控制系统的稳定性和稳态误差实验地点：多学科楼机房专业班级：学号：学生姓名：指导教师：2012 年5 月15 日一、实验目的和要求：1．学会利用MATLAB 对控制系统的稳定性进行分析； 2．学会利用MATLAB 计算系统的稳态误差。

二、实验内容和原理：1．利用MATLAB 描述系统数学模型如果系统的的数学模型可用如下的传递函数表示nn n m m m a s a s b s b s b s U s Y s G ++++++==-- 11110)()()( 则在MATLAB 下，传递函数可以方便的由其分子和分母多项式系数所构成的两个向量惟一确定出来。

即num=[b 0,b 1 ,…, b m ]; den=[1,a 1,a 2 ,…,a n ]例2-1 若系统的传递函数为5234)(23+++=s s s s G 试利用MA TLAB 表示。

当传递函数的分子或分母由若干个多项式乘积表示时，它可由MA TLAB 提供的多项式乘法运算函数conv( )来处理，以获得分子和分母多项式向量，此函数的调用格式为 p=conv(p1,p2)其中，p1和p2分别为由两个多项式系数构成的向量，而p 为p1和p2多项式的乘积多项式系数向量。

conv( )函数的调用是允许多级嵌套的。

例2-2 若系统的传递函数为)523)(1()66(4)(232++++++=s s s s s s s s G试利用MA TLAB 求出其用分子和分母多项式表示的传递函数。

2．利用MATLAB 分析系统的稳定性在分析控制系统时，首先遇到的问题就是系统的稳定性。

判断一个线性系统稳定性的一种最有效的方法是直接求出系统所有的极点，然后根据极点的分布情况来确定系统的稳定性。

对线性系统来说，如果一个连续系统的所有极点都位于左半s 平面，则该系统是稳定的。

MATLAB 中根据特征多项式求特征根的函数为roots( )，其调用格式为r=roots(p) 其中，p 为特征多项式的系数向量；r 为特征多项式的根。

实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。

三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。

四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。

熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。

本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。

图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。

1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。

图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。

2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。

它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。

TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。

实验四线性定常控制系统的稳定分析
一、实验目的
（1）深刻理解反馈对系统稳定性的作用和影响；
（2）深刻理解系统类型对系统稳定性的影响的规律；
（3）深刻理解零点对系统稳定性无影响；
（4）理解系统参数对系统稳定性的影响。

二、实验原理及内容：
1．单位反馈对系统稳定性的影响
(1) 已知开环系统结构图如图4-1所示。

R （S
其中W(S)分别为：（a ）1()0.11W s s =+和（b ）1()0.2
W s s =- (2)闭环系统单位负反馈形式为：
图4-2 闭环系统
其中W(S)同（1）。

通过观察两组W （S ）在开环和闭环两种形式下系统的零、极点分布和单位阶跃响应曲。

《自动控制理论》实验教学大纲课程名称：自动控制理论课程性质：非独立设课使用教材：自编课程编号：面向专业：自动化课程学分：考核方法：成绩是考核学习效果的重要手段，实验成绩按学生的实验态度，独立动手能力和实验报告综合评定，以20%的比例计入本门课程的总成绩。

实验课总成绩由平时成绩（20%）、实验理论考试成绩（40%）、实验操作考试成绩（40%）三部分组成，满分为100分。

实验理论考试内容包含实验原理、实验操作方法、实验现象解析、实验结果评价、实验方案设计等。

考试题型以填空、判断、选择、问答为主，同时可结合课程特点设计其他题型。

实验操作考试根据课程特点设计若干个考试内容，由学生抽签定题。

平时成绩考核满分为20分，平时成绩= 平时各次实验得分总和÷实验次数（≤20分）。

每次实验得分计算办法为：实验报告满分10分（其中未交实验报告或不合格者0分，合格6分，良好8分，优秀10分）；实验操作满分10分（其中旷课或不合格者0分，合格6分，良好8分，优秀10分）。

撰写人：任鸟飞审核人：胡皓课程简介：自动控制理论是电气工程及其自动化专业最主要的专业基础必修课。

通过本课程的各个教学环节的实践，要求学生能熟练利用模拟电路搭建需要的控制系统、熟练使用虚拟示波器测试系统的各项性能指标，并能根据性能指标的变化分析参数对系统的影响。

实验过程中要求学生熟悉自动控制理论中相关的知识点，可以在教师预设的实验前提下自己设计实验方案，完成实验任务。

教学大纲要求总学时80，其中理论教学68学时、实验12学时，实验个数6个。

9采样控制系统的分析√4选做10采样控制系统的动态校正√4选做合计实验一典型环节的电路模拟一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1.熟悉THBCC-1型实验平台及“THBCC-1”软件的使用；2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3.测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

三、实验内容与要求：1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。

1－3解：系统的工作原理为：当流出增加时，液位降低，浮球降落，控制器通过移动气动阀门的开度，流入量增加，液位开始上。

当流入量和流出量相等时达到平衡。

当流出量减小时，系统的变化过程则相反。

流出量希望液位图一1－4（1）非线性系统（2）非线性时变系统（3）线性定常系统（4）线性定常系统（5）线性时变系统（6）线性定常系统2 2-1 解：显然，弹簧力为 k x (t ) ，根据牛顿第二运动定律有：F (t ) − kx (t ) = m移项整理，得机械系统的微分方程为：d 2 x (t ) dt 2m d x (t ) + kx (t ) = F (t ) dt 2对上述方程中各项求拉氏变换得：ms 2 X (s ) + kX (s ) = F(s )所以，机械系统的传递函数为：G (s ) = X (s ) =F (s )1ms 2 + k2-2 解一：由图易得：i 1 (t )R 1 = u 1 (t ) − u 2 (t ) u c (t ) + i 1 (t )R 2 = u 2 (t ) du c (t )i 1 (t ) = Cdt由上述方程组可得无源网络的运动方程为：C ( R + R ) du 2 (t ) u (t ) = CRdu 1 (t ) u (t )1 2 dt+ 2 2+ 1 dt对上述方程中各项求拉氏变换得：C (R 1 + R 2 )sU 2 (s ) + U 2 (s ) = CR 2 sU 1 (s ) + U 1 (s )所以，无源网络的传递函数为：G (s ) = U 2 (s )=U 1 (s )1 +sCR 21 + sC (R 1 +R 2 )解二（运算阻抗法或复阻抗法）：U (s ) 1 + R 2 1 + R Cs2 = Cs = 2U (s ) R + 1 + R 1 + ( R + R )Cs 1 1 21Cs22-5 解：按照上述方程的顺序，从输出量开始绘制系统的结构图，其绘制结果如下图所示：依次消掉上述方程中的中间变量 X 1 , X 2 , X 3 , 可得系统传递函数为：C (s ) = R (s )G 1 (s )G 2 (s )G 3 (s )G 4(s )1 + G2 (s )G3 (s )G 6 (s ) + G 3 (s )G4 (s )G5 (s ) + G 1 (s )G 2 (s )G 3 (s )G 4 (s )[G 7 (s ) −G 8 (s )]2-6 解：①将G1 (s) 与G1 (s) 组成的并联环节和G1 (s) 与G1 (s) 组成的并联环节简化，它们的等效传递函数和简化结构图为：G12 (s) = G1(s) + G2(s)G34 (s) = G3(s) −G4(s)②将G12 (s), G34 (s) 组成的反馈回路简化便求得系统的闭环传递函数为：2-7 解：C(s)=R(s)G12(s)1 + G12(s)G34(s)=G1(s) + G2(s)1 + [G1(s) + G2(s)][G3(s) −G4(s)]由上图可列方程组：[E(s)G1 (s) −C(s)H2(s)]G2(s) = C(s)R(s) −H1(s)C(s)G2(s)= E(s)联列上述两个方程，消掉E(s) ，得传递函数为：C(s)= R(s)G1(s)G2(s)1 + H1(s)G1(s) + H2(s)G2(s)联列上述两个方程，消掉C(s) ，得传递函数为：E(s)= R(s)1 + H2(s)G2(s)1 + H1(s)G1(s) + H2(s)G2(s)1 2 22 32-8 解：将①反馈回路简化，其等效传递函数和简化图为： 0.4G (s ) = 2s + 1 = 1 +0.4 * 0.5 2s + 11 5s + 3将②反馈回路简化，其等效传递函数和简化图为：1G (s ) =s + 0.3s + 1= 5s + 321 + 0.45s +4.5s+ 5.9s + 3.4(s + 0.3s + 1)(5s + 3)将③反馈回路简化便求得系统的闭环传递函数为：0.7 * (5s + 3)Θo (s)= 5s 3 + 4.5s 2 + 5.9s + 3.4 =3.5s + 2.1Θi (s) 1 + 0.7 * Ks(5s + 3)5s 3+ (4.5 + 3.5K )s2+ (5.9 + 2.1K )s + 3.42 5s3-3 解：该二阶系统的最大超调量：σp =e−ζπ/1−ζ2*100%当σp= 5% 时，可解上述方程得：ζ= 0.69当σp= 5% 时，该二阶系统的过渡时间为：ts≈3ζwn所以，该二阶系统的无阻尼自振角频率w n 3-4 解：≈3ζts=30.69* 2= 2.17由上图可得系统的传递函数：10 * (1 + Ks)C (s)= R(s)s(s + 2)1 +10 * (1 + Ks)s(s + 2)==10 * (Ks +1)s + 2 * (1 +5K )s +10所以w n =10 ，ζw n =1+5K⑴若ζ= 0.5 时，K≈0.116所以K≈0.116 时，ζ= 0.5⑵系统单位阶跃响应的超调量和过渡过程时间分别为：σp =e−ζπ/1−ζ2*100% =e−0.5*3.14/1−0.52*100%≈16.3%ts= 3ζwn =30.5 *≈1.910⑶加入(1 + Ks )相当于加入了一个比例微分环节，将使系统的阻尼比增大，可以有效地减小原系统的阶跃响应的超调量；同时由于微分的作用，使系统阶跃响应的速度（即变w 2 1 2 p化率）提高了，从而缩短了过渡时间：总之，加入 (1 + Ks ) 后，系统响应性能得到改善。