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《自动控制原理》控制系统的simulink仿真实验一、实验目的1.初步了解Matlab中Simulink的使用方法，熟悉simulink模块的操作和信号线的连接。
2.通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。
3.定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验仪器Matlab7.0 , 计算机三、实验原理Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具。
Simulink是一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。
它支持系统设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。
四、实验内容及步骤1、建立仿真模型系统1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击工具栏上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库，然后点击左上角“新文件”图标，打开模型编辑窗口。
1.2 调出模块在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。
从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器(band-limited white noise)；从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(gain)和1个加法器(sum)；从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环(Derivative)和3个传函环节(transfer Fcn)；从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(mux)；从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(scope)；所有模块都放置在模型编辑窗口里面。
1.3 模块参数设置（鼠标左键双击各典型环节，则可进行参数设置）双击打开白噪声信号发生器，设定功率(Noise power)为0.0001，采样时间(Sample time)为0.05。
打开比例环节，设定比例增益为2；打开3个传函环节(transfer Fcn)，通过参数设定，分别构成积分、惯性和二阶环节。
《自动控制原理》复习参考资料一、基本知识 11、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过输入量与反馈量的差值进行的。
2、闭环控制系统又称为反馈控制系统。
3、在经典控制理论中主要采用的数学模型是微分方程、传递函数、结构框图和信号流图。
4、自动控制系统按输入量的变化规律可分为恒值控制系统、随动控制系统与程序控制系统。
5、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即：稳定性、快速性和准确性。
6、控制系统的数学模型，取决于系统结构和参数, 与外作用及初始条件无关。
7、两个传递函数分别为 G1(s)与 G2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为G(s)+G2(s)，以串联方式连接，其等效传递函数为G1(s)*G2(s)。
18、系统前向通道传递函数为 G (s)，其正反馈的传递函数为 H (s)，则其闭环传递函数为G(s) /(1-G(s) H(s) )。
9、单位负反馈系统的前向通道传递函数为 G (s)，则闭环传递函数为G(s) /(1+ G(s) )。
10 、典型二阶系统中，ξ=0.707 时，称该系统处于二阶工程最佳状态，此时超调量为 4.3%。
11、应用劳斯判据判断系统稳定性，劳斯表中第一列数据全部为正数，则系统稳定。
12、线性系统稳定的充要条件是所有闭环特征方程的根的实部均为负，即都分布在S平面的左平面。
13、随动系统的稳态误差主要来源于给定信号，恒值系统的稳态误差主要来源于扰动信号。
14、对于有稳态误差的系统，在前向通道中串联比例积分环节，系统误差将变为零。
15、系统稳态误差分为给定稳态误差和扰动稳态误差两种。
16 、对于一个有稳态误差的系统，增大系统增益则稳态误差将减小。
17 、对于典型二阶系统，惯性时间常数 T 愈大则系统的快速性愈差。
18 、应用频域分析法，穿越频率越大，则对应时域指标 ts越小，即快速性越好19 最小相位系统是指 S 右半平面不存在系统的开环极点及开环零点。
20、按照校正装置在系统中的不同位置，系统校正可分为串联校正、反馈校正、补偿校正与复合校正四种。
《自动控制原理》习题解答第一章习题及答案1—1 根据题1—1图所示的电动机速度控制系统工作原理图(1） 将a ，b 与c,d 用线连接成负反馈状态；（2) 画出系统方框图。
解 （1）负反馈连接方式为：d a ↔,c b ↔；（2)系统方框图如图解1—1 所示.1—2 题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。
题1-2图 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动,将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时,电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
1—3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理,指出被控对象、被控量和给定量,画出系统方框图.题1-3图 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行,加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比,c u 增高,炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u .此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
《自动控制原理》复习参考资料一、基本知识11、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过输入量和反馈量的差值进行的。
2、闭环控制系统又称为反馈控制系统。
3、在经典控制理论中主要采用的数学模型是微分方程、传递函数、结构框图和信号流图。
4、自动控制系统按输入量的变化规律可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
5、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即：稳定性、快速性和准确性。
6、控制系统的数学模型，取决于系统结构和参数, 和外作用及初始条件无关。
7、两个传递函数分别为G1(s)和G2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为G1(s)+G2(s)，以串联方式连接，其等效传递函数为G1(s)*G2(s)。
8、系统前向通道传递函数为G（s），其正反馈的传递函数为H（s），则其闭环传递函数为G（s）/(1- G（s）H（s）)。
9、单位负反馈系统的前向通道传递函数为G（s），则闭环传递函数为G（s）/(1+ G（s）)。
10、典型二阶系统中，ξ=0.707时，称该系统处于二阶工程最佳状态，此时超调量为4.3%。
11、使用劳斯判据判断系统稳定性，劳斯表中第一列数据全部为正数，则系统稳定。
12、线性系统稳定的充要条件是所有闭环特征方程的根的实部均为负，即都分布在S平面的左平面。
13、随动系统的稳态误差主要来源于给定信号，恒值系统的稳态误差主要来源于扰动信号。
14、对于有稳态误差的系统，在前向通道中串联比例积分环节，系统误差将变为零。
15、系统稳态误差分为给定稳态误差和扰动稳态误差两种。
16、对于一个有稳态误差的系统，增大系统增益则稳态误差将减小。
17、对于典型二阶系统，惯性时间常数T 愈大则系统的快速性愈差。
18、使用频域分析法，穿越频率越大，则对应时域指标t s 越小，即快速性越好19最小相位系统是指S 右半平面不存在系统的开环极点及开环零点。
20、按照校正装置在系统中的不同位置，系统校正可分为串联校正、反馈校正、 补偿校正和复合校正四种。
第一章闭环控制的直流调速系统1－1 为什么 PWM —电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：PWM —电动机系统在很多方面有较大的优越性：（1） 主电路线路简单，需用的功率器件少。
（2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
（3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1：10000 左右。
（4） 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
（5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
（6） 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
1－2 试分析有制动通路的不可逆 PWM 变换器进行制动时，两个 VT 是如何工作的。
答：在制动状态中，i d 为负值，VT 2 就发挥作用了。
这种情况发生在电动运行过程中需要降 速的时候。
这时，先减小控制电压，使U g 1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电 压U d 降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成 E > U d ，很 快使电流 i d 反向，VD 2 截止，在 t on δ t ＜Ｔ时，U g 2 变正，于是VT 2 导通，反向电流沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。
在T δ t ＜Ｔ+ t on 时，VT 2 关断， i d 沿回路 4 经VD 1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD 1 两端压降钳住VT 1 使它不能导通。
在制动状态中，VT 2 和VT 1轮流导通，而VT 1 始终是关断的。
在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT 1 关断后 i d 经VD 2 续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD 2 两端电压也降为零，VT 2 便提前导通了，使电流反向， 产生局部时间的制动作用。
１－３ 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和最小静差率之间有什么关 系？为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？ 答：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母Ｄ表示，即D =n max n min其中，n max 和 n min 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。
1.控制概念（1）开环控制：开环控制是最简单的一种控制方式。
它的特点是，按照控制信息传递的路径，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反馈通路。
闭环控制：凡是将系统的输出量反送至输入端，对系统的控制作用产生直接的影响，都称为闭环控制系统或反馈控制系统。
复合控制：是开、闭环控制相结合的一种控制方式。
（2）反馈：指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。
（3）传递函数：在零初始条件下，系统输出信号的拉手变换与输出信号的拉氏变换的比。
（4）被控对象：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。
执行机构：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。
（5）线性化：a条件：连续且各阶导数存在 b方法：工作点附近泰勒级数展开。
2.时域指标（1）上升时间tr：响应从终值10%上升到终值90%所需时间；对有振荡系统亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需时间。
上升时间是响应速度的度量。
峰值时间tp：响应超过其终值到达第一个峰值所需时间。
调节时间ts：响应到达并保持在终值内所需时间。
（2）超调量σ%：响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比。
振荡次数：是在阶跃信号作用下，系统在达到指定deta范围下，系统所震荡的总次数。
（3）动态降落：系统稳定运行时，突然加一个扰动量N，在过度过程中引起输出量的最大降落值Cmax称为动态降落。
恢复时间：系统从波动回复到稳态时候所需要的时间。
（4）稳态误差：对单位负反馈系统，当时间t趋于无穷大时，系统对输入信号响应的实际值与期望值（即输入量）之差的极限值，称为稳态误差，它反映系统复现输入信号的（稳态）精度。
3.频域特性（1）频率特性：对于线性系统来说，当输入信号为正弦信号时，稳态时的输出信号是一个与输入信号同频率的正弦信号，不同的只是其幅值与相位，且幅值与相位随输入信号的频率不同而不同。
第 1 页 ( 共 5 页 )—|!注：教师应使用计算机处理试题的文字、公式、图表等；学生应使用水笔或圆珠笔答题。
第 2 页 ( 共 5 页 )。
》\ ）二．分析及问答（51%）1．（共11分）桥式可逆PWM变换器-电动机系统具有电流容易连续、谐波少等优点。
（1）在如图坐标系中画出桥式可逆PWM变换器供电的开环直流调速系统工作在一般电动状态下的瞬时电压、平均电压、瞬态电流、反电动势波形，其中变换器采用双极式控制，占空比ρ=；（6分）（2）)（3）导出电机电枢电压平均值Ud与Us之间的关系，如何实现电机的正反转说明如何实现电机的正反转；（2分）（4）写出直流桥式可逆PWM变换器的近似传递函数，说明它与相控整流器数学模型的本质区别。
（3分）2．（共15分）在V-M开环直流调速系统、转速单闭环有静差直流调速系统和转速单闭环无静差直流调速系统中，突减负载后又进入稳定运行时，三种系统的转速、电枢电流、整流装置输出的电压将如何变化，并简单说明原因。
答：在V-M开环系统中，突减负载后又进入稳定运行时，电机转速上升，电枢电流降低，整流装置输出电压不变（3分）。
因为是开环系统，整流装置输出电压受控制电压决定，控制电压不变，输出电压也不变，但减载后转速上升，电枢电流减小，以便与负载平衡。
（2分）@电机电枢电压平均值Ud=（2ρ-1）U S（1分）当ρ大于1/2时，Ud〉0，电机两端平均电压为正，电机正转，当ρ小于1/2时，Ud〈0，电机两端平均电压为负，电机反转。
（1分）()1sssKW sT s≈+（2分），与相控整流器的本质区别是时间常数更小。
（1分）—第 3 页 ( 共 5 页 )）…; ) ，（3分）ⅡⅢntI dI dLIVt3t2t1t4tt4．（共10分）转速反馈采用增量式旋转编码器，已知其每转脉冲数Z＝1024，采样周期TC = 秒，计算机高频时钟脉冲频率f0 = 1[MHz]，转速单位采用[转/分]，如采用M/T法测速：1.请画出M/T法测速原理示意图(应包含编码器输出脉冲、时钟脉冲与采样脉冲波形关系) ，并说明其测速原理。
自动控制系统 一、判断下面结论或言论是否正确，如果正确在该结论或言论的后面的括号内标上(√)；反之标上(╳)。 1、抑制定理告诉我们：对于反馈环内的元件参数发生变化时，闭环系统有抑制能力。对于反馈环外的元件参数发生变化时，闭环系统无抑制能力( ) 2、如果两个控制系统的控制方程组完全相同，那么这两个控制系统的运行轨迹和转步信号就完全相同。( ) 3、在一个至少有6个偶数结点的联通域内，如果结点总数有9个，那么机器人就能不重复的走遍该联通域内的每一条支路。( ) 4、纯电压负反馈调速系统是一个自然稳定性系统。( ) 5、在Simulink仿真模型中，无论何种组合都应该有输出显示模块。( ) 6、在Simulink仿真模型中，改变示波器的采样时间可以控制实际用时的快慢。( ) 7、使用封装技术可以将子系统“包装”成有自己的图标和参数设置对话窗口的一个单独的模块。( ) 8、无静差调速系统的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响。( ) 9、如果PWM变换器的电压输出波形只有一种极性，那么该PWM直流调速系统一定是由不可逆PWM变换器构成。( ) 10、可逆调速系统一定用于生产工艺要求电动机可逆运行的场合。 ( ) 11、对新购调速器需要先进行参数自动优化然后才能进行调速器的软件组态。 ( ) 12、自动控制系统中环的个数会受到状态变量的多少、生产工艺要求的限制。( ) 13、在PWM直流调速控制系统中，大功率开关的频率越高，控制系统的失控时间也就越 短。 ( ) 14、反并联可逆转速、电流双闭环调速系统能解决最优时间起、制动的问题。 ( ) 15、带电压内环的三环调速系统性能和带电流微分负反馈的三环调速系统性能作用基本相 同。( ) 16、在双闭环不可逆调速系统中，如果实现无转速超调只能采用增加转速微分负反馈的方案来解决。( ) 17、在不可逆调速系统中不会发生本桥逆变现象。( ) 18、如何准确、迅速的显示和控制系统的状态变量是HMI研究的主要问题。( ) 19、在HMI设计中用手动操作的器件文字说明，应在器件的上方。( ) 20、模糊数学是一门用定量的、精确的方法来研究和处理模糊性事物的学科。( ) 21、PROFIBUS的通讯传输距离和传输速率成反比。( ) 二、填空题 在括号内或待画图内填写适当的词语或绘制曲线使下面的结论或波形正确。 1、某可逆调速系统的制动过程波形如图2-1所示，详细分析此图填空回答如下问题： ① t1～t2属于制动过程的( )阶段。 ② t3～t4属于制动过程的( )阶段。 ③t4～t6属于制动过程的( )阶段。 2、参数自动优化的一般原则是：在保证控制系统( )的条件下，使系统的输出跟随给定的速度( )并且动态误差最小。 3、调节器的参数设计的基本原则是：先设计( )，后设计( )。 三、选择题 (每一小题由四种结论或实验结果组成，至少有一种结论或实验结果是正确的，但是不可能四种结论或实验结果都是正确的。请选择你认为是正确的结论或实验结果并在括号内用“√”注明。) 1、有两种PROFIBUS-DP网络连接方法如图3-1所示，假设“on”的左端是黑色时，表示内部终端电阻已经接入，否则没有接入。你认为：
图2-1 某可逆调速系统的制动过程波形 A) A网络的连接方法是正确的；( ) B) B网络的连接方法是正确的；( ) C) 两个网络的连接方法都正确；( )； D) 两个网络的连接方法都不正确( )
图3-1 A) 图3-2(B) 是修改ASR的“P”或“I”参数所出现的仿真结果。( ) B) 图3-2(B) 是修改ACR的“P”或“I”参数所出现的仿真结果。( ) C) 图3-2(B) 是修改ASR的正向输出限幅值所出现的仿真结果。 ( ) D) 图3-2(B) 是修改ACR的正向输出限幅值所出现的仿真结果。( ) 3、已知某双闭环可逆调速系统的仿真实验电路的仿真结果如图3-3(A)所示，将该仿真实验电路中的一个模块参数修改后，出现的仿真结果如图3-3(B)所示。对此有如下结论：
A) 图3-3(B) 是仿真电网电压波动，出现的仿真结果。 ( ) B) 图3-3(B) 是仿真转速给定电压突然增大，出现的仿真结果。( ) C) 图3-3(B) 是仿真负载电流突然增大，出现的仿真结果。 ( ) D) 图3-3(B) 是仿真负载电流突然减少，出现的仿真结果。( )
图3-3 4、图3-4所示是四种调速控制系统的主电路，对于这些主电路有如下结论： A) D)图正确( )。 B) C)图正确( )。C) B)图正确( )。D) A)图正确( )
5、在无环流可逆调速控制系统中，主电路是由两个三相全控桥构成的正组桥和反组桥。已知在系统制动过程中，只要在0.02/6秒内电流没有出现，逻辑控制装置就认为本桥逆变就已经结束。如果正组桥(或反组桥)中有一个晶闸管烧断，在系统制动时，造成本桥逆变颠覆的原因是： A) 此时逻辑控制装置误认为本桥逆变已经结束，提前封锁了本桥。 ( ) B) 此时逻辑控制装置误认为本桥逆变已经结束，延时封锁了本桥。 ( ) C) 此时逻辑控制装置误认为反组桥制动已经开始，提前开放了反组桥。 ( ) D) 此时逻辑控制装置误认为反组桥制动已经开始，延时开放了反组桥。 ( ) 6、图3-6是两种用电压负反馈近似代替转速负反馈控制的电路。此有如下结论：
A) 图3-6(A)所示控制系统的结构合理。 ( ) B) 图3-6(B)所示控制系统的结构合理。 ( ) C) 图3-6所示两种控制系统的结构都合理。 ( ) D) 图3-6所示两种控制系统的结构都不合理。 ( )
图3-4 图3-6 7、某调速系统的仿真模型电路如下图3-7所示。为避免同一桥臂上下两个开关管同时导通现象发生，应调节什么模块的参数？
A) 在图3-7中调节Switch和Switch1这两个模块中的有关参数可以控制两个开关管的死区时间。 ( ) B) 在图3-7中调节Relay和Relay1这两个模块中的有关参数可以控制两个开关管的死区时间。 ( ) C) 在图3-7中调节Relay和Switch1这两个模块中的有关参数可以控制两个开关管的死区时间。 ( ) D) 在图3-7中调节Relay1和Switch1这两个模块中的有关参数可以控制两个开关管的死区时间。 ( ) 8、图3-8所示，是某水渠水位通过(MT500)触摸屏显示的画面，当手触摸水渠中上部时水位上升；当手触摸水渠中下部时水位下降。能实现此功能的关键元件是：
图3-7
图3-8 A) 1个棒图元件、1个多状态设定元件和1个数值输入元件。 ( ) B) 1个棒图元件、2个多状态设定元件和1个数值显示元件。( ) C) 1个棒图元件、2个多状态设定元件和1个数值输入元件。 ( ) D) 1个棒图元件、1个多状态设定元件和1个数值显示元件。( ) 9、当直流调速器发生故障时，有故障显示，但实际上并没有发生此故障。一般情况下此类故障的原因可能是：
A) 故障检测元件出问题或故障信息处理系统出问题。( ) B) 调速器故障自诊断系统所指示的“故障”元件的周围器件、导线和焊盘受损 ( ) C) 接触不良或受电磁干扰等原因。 ( ) D) 控制电路开关电源工作不正常。( ) 10、图3-10是控制系统的三种控制柜的安装方法，根据此图，在下列结论中选出你认为是正确的结论。
A) 图3-10(A)所示控制系统的安装方法是正确的。 ( ) B) 图3-10(B)所示控制系统的安装方法是正确的。 ( ) C) 图3-10(C)所示控制系统的安装方法是正确的。 ( ) D) 在图3-10(A)、(B)和(C)所示控制系统的安装方法都是错误的。 ( )
图3-10 四、问题分析 1、如图4-1 A)、B)所示两个可逆调速控制系统在控制功能上主要都有哪些异同？
2、在有环流可逆调速系统中，为什么要增加抑制环流峰值的电抗器？试证明其理论根据？。 图4-1 3、创建工程画面和组态工程画面有什么区别？ 答：1、都是典型配合控制的有环流可逆系统； 主电路都是独立电源供电；环流的大小都是可控或可调； 图4-1A)所示系统环流的大小能够随着负载的增加而自动减少。 2、因为在平均电流相同的条件下，环流的峰值越高控制系统的功率消耗就越大，所以为了降低系统的功率消耗对于有环流可逆调速控制系统需要增加抑制环流峰值的电抗器。
假设可逆调速控制系统两晶闸管整流器之间的等效电阻为R，环流瞬时值是i；在同一周期内，两个平均值相同，幅值不同的直流电流如答图4-2所示。 ∵由功率消耗定义可得：
AARBBRARdtiBARBARBRdtitttt
222
221
10
10
∵ BA(或BA) ∴ 幅值越高所消耗的电能也就越大。 ∴ 在有环流可逆调速控制系统中为了减少两电源之间在等效电阻上的消耗，在非电枢回路上增加均衡电抗器达到限制脉动环流的幅值，实现降低功率损耗的目的。 3、创建工程画面主要完成确定操作单元型号(触摸屏种类、型号)及其和通讯的PLC型号。 组态工程画面主要使用静态元素和动态元素组合完成人和机器都能认识画面。
五、设计题(25分)
答图4-2
图5-1 送货机器人 (小车)运行轨迹
