东华大学自动控制原理实验一

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各位同学请注意: 1.上机实验为1-8周,每次上机请按照第一次的座位坐。 2.请先自习上机容,实验容可参考指导书。 3.9号机房座位安排见后面的,请按机位号入座,要点名哦。

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、SIMULINK的使用 MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型,进行仿真和调试。 1.运行MATLAB软件,在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令,按Enter键或在工具栏单击按钮,即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。 2.选择File菜单下New下的Model命令,新建一个simulink仿真环境常规模板。 3.在simulink仿真环境下,创建所需要的系统。 以图1-2所示的系统为例,说明基本设计步骤如下: 1)进入线性系统模块库,构建传递函数。点击simulink下的“Continuous”,再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。 2)改变模块参数。在simulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标,即可改变传递函数。其中方括号的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数,数字之间用空格隔开;设置完成后,选择OK,即完成该模块的设置。 3)建立其它传递函数模块。按照上述方法,在不同的simulink的模块库中,建立系统所需的传递函数模块。例:比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。 4)选取阶跃信号输入函数。用鼠标点击simulink下的“Source”,将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口,形成一个阶跃函数输入模块。 5)选择输出方式。用鼠标点击simulink下的“Sinks”,就进入输出方式模块库,通常选用“Scope”的示波器图标,将其用左键拖至新建的“untitled”窗口。 6)选择反馈形式。为了形成闭环反馈系统,需选择“Math” 模块库右边窗口“Sum”图标,并用鼠标双击,将其设置为需要的反馈形式(改变正负号)。 7)连接各元件,用鼠标划线,构成闭环传递函数。 8)运行并观察响应曲线。用鼠标单击工具栏中的“”按钮,便能自动运行仿真环境下的系统框图模型。运行完之后用鼠标双击“Scope”元件,即可看到响应曲线。 三、实验原理 1.比例环节的传递函数为

221211()2100,200ZRGsRKRKZR

图1-3所示左侧为其对应的模拟电路右侧即为SIMULINK的图形。

图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形 2.惯性环节的传递函数为 221121121

2()100,200,110.21RZRGsRKRKCufZRCs



图1-4所示左侧为其对应的模拟电路、右侧为SIMULINK图形。

3.积分环节(I)的传递函数为 图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形 ufCKRssCRZZsG1,1001.011)(111112 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。

4.微分环节(D)的传递函数为 ufCKRssCRZZsG10,100)(111112 ufCC01.012

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。

图1-5 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形

图1-6 微分环节的模拟电路及及SIMULINK图形 5.比例+微分环节(PD)的传递函数为 )11.0()1()(111212ssCRRRZZsG

ufCCufCKRR01.010,10012121 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-7所示。

图1-7 比例+微分环节的模拟电路及SIMULINK图形6.比例+积分环节(PI)的传递函数为 )11(1)(11212sRsCRZZsG ufCKRR10,100121 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-8所示。

7.PID环节 图1-8 比例+积分环节的模拟电路及SIMULINK图形 在SIMULINK环境下建立以上图例右侧的模型,通过仿真即可了解各类输入作用下的输出响应曲线。 四、实验容

1 系统结构如下图,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sG ② 惯性环节11)(1ssG ③ 积分环节ssG1)(1 ④ 微分环节ssG)(1 ⑤ 比例+微分环节(PD)2)(1ssG ⑥ 比例+积分环节(PI)ssG11)(1 2 建立如下的系统结构,选取若干个PID的参数,说明比例积分微分对输出响应的影响。(PID控制器在Simulink Extras\Additional Linear\PID controller) 以下二选一做 A.

使用Simulink搭建控制系统,被控对象传递函数为1331)(23ssssG,

(1) 使用纯比例控制器P Controller(0,0DIKK),分别求出当pK=0.5,1.0,2.0时系统单位阶越响应的超调量P.O.%,峰值时间pT,调整时间sT和稳态误差;分析pK对系统性能的影响。 (2) 使用比例积分控制器 PI Controller(1PK,0DK),分别求出当IK=0.5,1.0,1.5时系统单位阶越响应的超调量P.O.%,峰值时间pT,调整时间sT和稳态误差;分析IK对系统性能的影响。 2、 使用Simulink搭建如下控制系统, (1)使用纯比例控制器P Controller(0,0DIKK),分别求出当pK=10,20,30时系统单位阶越响应的超调量P.O.%,峰值时间pT,调整时间sT,稳态误差;分析pK对系统性能的影响。 (2)使用比例微分控制器 PD Controller(30PK0IK),分别求出当DK=1,2,5时系统单位阶越响应的超调量P.O.%,峰值时间pT,调整时间sT,稳态误差;分析DK对系统性能的影响。

B. B.

五、实验报告 1.画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。 2. 记录各环节的单位阶跃响应波形,并分析参数对响应曲线的影响。 3. 写出实验的心得与体会。 六、预习要求 1.熟悉各种控制器的原理和结构,画好将创建的SIMULINK图形。 2.预习MATLAB中SIMULINK的基本使用方法。 上机座位安排 : 9号机房 机号 学生代码 学生 班级 901 130910228 付世界 电气1302 902 130910324 火兴运 电气1303 903 130940229 立 自动化1302 904 130940504 佳琪 自动化1305 905 140150227 马嘉杰 电气1403 906 140400529 余晨辉 电气1403 907 140400530 贾勇 电气1401 908 140800323 许玉轩 电气1401 909 140910101 钱琳 电气1401 910 140910102 雨馨 电气1401 911 140910103 蔚凯歌 电气1401 912 140910105 雅宁 电气1401 913 140910106 黄嘉莹 电气1401 914 140910110 施磊 电气1401 915 140910111 梁泓 电气1401 916 140910115 光润 电气1401 917 140910118 辉鹏 电气1401 918 140910119 德镇 电气1401 919 140910122 郝灵广 电气1401 920 140910125 鼎丁 电气1401 921 140910126 龚旭 电气1401 922 140910128 洪灏 电气1401 923 140910130 艺涵 电气1401 924 140910201 王梅 电气1402 925 140910215 天昱 电气1402 926 140910216 邱威铭 电气1402 927 140910217 马人月 电气1402 928 140910220 郭炳乾 电气1402 929 140910221 恩佑 电气1402 930 140910222 王鹏洲 电气1402 931 140910223 傅阳 电气1402 932 140910224 王振宇 电气1402 933 140910225 黄胜捷 电气1402 934 140910226 凡 电气1402 935 140910229 周扬 电气1402 936 140910301 朱金玲 电气1403 937 140910302 如意 电气1403 938 140910305 贺轶凡 电气1403