自动控制原理实验指导

《自动控制原理实验指导》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理实验指导（69页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、自动控制原理与智能控制 目 录第1篇 自动控制原理模拟实验1实验一 控制系统典型环节的模拟1实验二 一阶系统的时域响应及参数测定5实验三 二阶系统的瞬态响应分析7实验四 三阶系统的瞬态响应及稳定性分析9实验五 PID控制器的动态特性11实验六 控制系统的动态校正13实验七 典型环节频率特性的测试17实验八 线性系统频率特性的测试21第2篇 自动控制原理MATLAB仿真实验24实验一 典型环节的MATLAB仿真24实验二 线性系统时域响应分析28实验三 线性系统的根轨迹34实验四 线性系统的频域分析39实验五 线性系统串联校正43实验六 数字PID控制49第3篇 智能控制一 模糊控制53实验一

2、认识实验53实验二 模糊逻辑工具箱的应用55实验三 模糊PD控制器设计57实验四 模糊PID控制器设计59第4篇 智能控制二 神经网络63实验一 BP神经网络设计63实验二 基于BP神经网络自整定PID控制65第1篇 自动控制原理模拟实验实验一 控制系统典型环节的模拟一、实验目的(1)熟悉超低频扫描示波器的使用方法。(2)掌握用运放组成控制系统典型环节的模拟电路。(3)测量典型环节的阶跃响应曲线。(4)通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK15控制理论实验或DJK16控

3、制理论实验3双踪慢扫描示波器或数字示波器4万用表三、实验线路及原理图1-1 运放的反馈连接以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得： （1）由上式可求得，由下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 (1)比例环节 比例环节的模拟电路如图1-2所示：图1-2 比例环节 (2)惯性环节惯性环节的模拟电路如图1-3所示。取参考值R1=100K，R2=100K，C=1uF。 （2）图1-3 惯性环节 (3)积分环节 （3）式中积

4、分时间常数T=RC,取参考值R=200K，C=1uF 图1-4 积分环节(4)比例微分环节（PD）比例微分环节的接线图如图及阶跃响应如图1-5所示。 （4）其中。参考值R1=200K，R2=410K，C=0.1uF图1-5 比例微分环节(5)比例积分环节比例积分环节的接线图单位阶跃响应如图1-6所示。 （5）其中。参考值R1=100K，R2=200K，C=0.1uF。(6)振荡环节振荡环节的原理框图、接线图及单位阶跃响应波形分别如图1-7、1-8所示。图1-6 比例积分环节图1-7 振荡环节原理框图图1-8 振荡环节接线图图1-8为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环节和一个反号器组成

5、。根据它们的传递函数，可以画出图1-7所示的方框图，图中。由图1-7可求得系统的开环传递函数为其中，则欲使图1-8为振荡环节，须调整参数K和T1，使0x1，呈欠阻尼状态。即环节的单位阶跃响应呈振荡衰减形式。四、实验内容 (1)分别画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的模拟电路图。(2)按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数，观察并记录其单位阶跃响应波形。比例环节 G1(S)=1和G2(S)=2积分环节 G1(S)=1/S和G2(S)=1/（0.5S）比例微分环节 G1(S)=2+S和G2(S)=1+2S惯性环节 G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1)比例积分

6、环节（PI） G（S）=1+1/S和G（S）=2（1+1/2S）震荡环节 五、思考题(1)用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？(2)积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例环节？(3)如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？六、实验报告(1)画出六种典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。(2)画出各典型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。七、注意事项(1)输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器。(2)电子电路中的电阻取千欧，电容

7、为微法。实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一、实验目的(1)观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。(2)根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定系统的时间常数。二、实验所需挂件及附件序号型 号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK15控制理论实验或DJK16控制理论实验3双踪慢扫描示波器或数字示波器4万用表三、实验线路及原理图2-1为一阶系统的模拟电路图。由该图可知io=i1-i2，所以根据上式，画出图2-2所示的方框图，其中T=R0C。由图2-2得： 图2-1一阶系统模拟电路图令，则系统的输出为 图2-2一阶系统原理框图取拉式逆变换，得 （1

8、）图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线，当时，。这表示当上升到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，由图2-3可测得一阶系统的时间常数T。由上式（1）可知，系统的稳态值为1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差。图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线当则，所以这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在，其误差的大小为系统的时间常数T。四、思考题(1)一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为T？(2)一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？试说明之。五、实验方法(1)根据图2-1所示的模拟电路，调整R0和C的值，使时间常数

9、T=1S和T=0.1S。(2)uI(t)=1V时，观察并记录一阶系统的时间常数T分别为1S和0.1S时的单位阶跃响应曲线,并标注时间坐标轴。(3)当uI(t)=t时，观察并记录一阶系统时间常数T为1S和0.1S时的响应曲线，其中斜坡信号可以通过实验箱中的三角波信号获得，或者把单位阶跃信号通过一个积分器获得。六、实验报告(1)根据实验，画出一阶系统的时间常数T=1S时的单位阶跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数T。(2)观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差ess，这一误差值与由终值定理求得的值是否相等？分析产生误差的原因。实验三 二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的(1)熟悉二阶

10、模拟系统的组成。(2)研究二阶系统分别工作在x=1，0x 1三种状态下的单位阶跃响应。(3)增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量sP、峰值时间tp和调整时间ts。(4)观测系统在不同K值时跟踪斜坡输入的稳态误差。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK15控制理论实验或DJK16控制理论实验3双踪慢扫描示波器或数字示波器4万用表三、实验线路及原理图3-1二阶系统的模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成。图3-1 二阶系统的模拟电路图3-2为图3-1的原理方框图，图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。图

11、3-2二阶系统原理框图由图3-2求得二阶系统的闭环传递函数为：而二阶系统标准传递函数为调节开环增益K值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率n和阻尼比x的值，而且还可以得到过阻尼(x1)、临界阻尼（x=1）和欠阻尼（x0.625，0 x 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：式中。图3-3为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线。(2)当K=0.625时，x=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图3-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。 (3)当K1，系统工作在过阻尼状态。它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比

12、前者更缓慢。 图3-3 0 x 7.5时，系统为不稳定；K”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。图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图 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。

13、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。其中方括号内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

14、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 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK

15、图形2惯性环节的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示。图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形 3积分环节(I)的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。图1-5 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形4微分环节(D)的传递函数为 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。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图形曲线6比例+积分环节（PI）的传递函数为 其对应的模

16、拟电路及SIMULINK图形如图1-8所示。图1-8 比例+积分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲线 四、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。 比例环节和； 惯性环节和 积分环节 微分环节 比例+微分环节（PD）和 比例+积分环节（PI）和五、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。实验二 线性系

17、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和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1. 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

18、，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。用MATLAB求控制系统的瞬态响应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，

19、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：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： num=0 0 25; %定义分子多项式 den=1 4 25; %定义分母多项式 step(num,den) %调用阶跃响应函数求取单位阶跃响应曲线 grid %画网格标度线 xlabel(t/s),ylabel(c(t) %给坐标轴加上说明 title(Unit-step Respinse of G(s)=25/(s2+4s+25) %给图形加上标题名则该单位阶跃响应曲线如图2-1所示：为了在图形屏幕上书写文本，可以用text

20、命令在图上的任何位置加标注。例如： text(3.4,-0.06,Y1) 和 text(3.4,1.4,Y2)第一个语句告诉计算机，在坐标点x=3.4,y=-0.06上书写出Y1。类似地，第二个语句告诉计算机，在坐标点x=3.4,y=1.4上书写出Y2。图2-1 二阶系统的单位阶跃响应 图2-2 定义时间范围的单位阶跃响应若要绘制系统t在指定时间（0-10s）内的响应曲线，则用以下语句：num=0 0 25; den=1 4 25; t=0:0.1:10;step(num,den,t) 即可得到系统的单位阶跃响应曲线在0-10s间的部分，如图2-2所示。 脉冲响应 求系统脉冲响应的指令有： i

21、mpulse (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 impulse (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=impulse(num,den) 返回变量y为输出向量，x为状态向量y,x,t=impulse(num,den,t) 向量t 表示脉冲响应进行计算的时间例：试求下列系统的单位脉冲响应： 在matlab中可表示为 num=0 0 1; den=1 0.2 1; impulse(num,den) grid title(Unit-impulse Response of G(s)=1/(s2+0.2s+1)由此

22、得到的单位脉冲响应曲线如图2-3所示。 求脉冲响应的另一种方法应当指出，当初始条件为零时，G (s)的单位脉冲响应与sG(s)的单位阶跃响应相同。考虑在上例题中求系统的单位脉冲响应，因为对于单位脉冲输入量，R(s)=1所以因此，可以将G(s)的单位脉冲响应变换成sG(s)的单位阶跃响应。向MATLAB输入下列num和den，给出阶跃响应命令，可以得到系统的单位脉冲响应曲线如图2-4所示。num=0 1 0; den=1 0.2 1; step(num,den) gridtitle(Unit-step Response of sG(s)=s/(s2+0.2s+1)图2-3 二阶系统的单位脉冲响应

23、图2-4 单位脉冲响应的另一种表示法斜坡响应MATLAB没有直接调用求系统斜坡响应的功能指令。在求取斜坡响应时，通常利用阶跃响应的指令。基于单位阶跃信号的拉氏变换为1/s，而单位斜坡信号的拉氏变换为1/s2。因此，当求系统G(s)的单位斜坡响应时，可以先用s除G(s)，再利用阶跃响应命令，就能求出系统的斜坡响应。例如，试求下列闭环系统的单位斜坡响应。 对于单位斜坡输入量，R(s)=1/s2 ，因此 在MATLAB中输入以下命令，得到如图2-5所示的响应曲线：num=0 0 0 1; den=1 1 1 0;step(num,den)title(Unit-Ramp Response Cuve f

24、or System G(s)=1/(s2+s+1)图2-5 单位斜坡响应2. 特征参量和对二阶系统性能的影响标准二阶系统的闭环传递函数为： 二阶系统的单位阶跃响应在不同的特征参量下有不同的响应曲线。对二阶系统性能的影响设定无阻尼自然振荡频率，考虑5种不同的值：=0,0.25,0.5,1.0和2.0，利用MATLAB对每一种求取单位阶跃响应曲线，分析参数对系统的影响。为便于观测和比较，在一幅图上绘出5条响应曲线（采用“hold”命令实现）。 num=0 0 1; den1=1 0 1; den2=1 0.5 1; den3=1 1 1; den4=1 2 1; den5=1 4 1;t=0:0.

25、1:10; step(num,den1,t) gridtext(4,1.7,Zeta=0); hold step(num,den2,t) text(3.3,1.5,0.25) step(num,den3,t) text(3.5,1.2,0.5) step(num,den4,t) text(3.3,0.9,1.0) step(num,den5,t) text(3.3,0.6,2.0) title(Step-Response Curves for G(s)=1/s2+2(zeta)s+1)由此得到的响应曲线如图2-6所示。图2-6 不同时系统的响应曲线图2-7 不同时系统的响应曲线对二阶系统性能的

26、影响同理，设定阻尼比时，当分别取1,2,3时，利用MATLAB求取单位阶跃响应曲线，分析参数对系统的影响。num1=0 0 1; den1=1 0.5 1; t=0:0.1:10;step(num1,den1,t); grid; hold ontext(3.1,1.4,wn=1)num2=0 0 4; den2=1 1 4;step(num2,den2,t); hold ontext(1.7,1.4,wn=2)num3=0 0 9; den3=1 1.5 9;step(num3,den3,t); hold ontext(0.5,1.4,wn=3)由此得到的响应曲线如图2-7所示。3. 系统稳定

27、性判断1）直接求根判稳roots()控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均具有负实部。因此，为了判别系统的稳定性，就要求出系统特征方程的根，并检验它们是否都具有负实部。MATLAB中对多项式求根的函数为roots()函数。若求以下多项式的根，则所用的MATLAB指令为： roots(1,10,35,50,24)ans =-4.0000-3.0000-2.0000-1.0000特征方程的根都具有负实部，因而系统为稳定的。2）劳斯稳定判据routh（）劳斯判据的调用格式为：r, info=routh(den)该函数的功能是构造系统的劳斯表。其中，den为系统的分母多项式系数向量，r为返回的rou

28、th表矩阵，info为返回的routh表的附加信息。以上述多项式为例，由routh判据判定系统的稳定性。den=1,10,35,50,24;r,info=routh(den)r=1 35 2410 50 030 24 042 0 024 0 0info= 由系统返回的routh表可以看出，其第一列没有符号的变化，系统是稳定的。3）赫尔维茨判据hurwitz（）赫尔维茨的调用格式为：H=hurwitz（den）。该函数的功能是构造hurwitz矩阵。其中，den为系统的分母多项式系数向量。以上述多项式为例，由hurwitz判据判定系统的稳定性。den=1,10,35,50,24; H=hurwi

29、tz(den)H= 10 50 0 0 1 35 24 0 0 10 50 0 0 1 35 24由系统返回的hurwitz矩阵可以看出，系统是稳定的。与前面的分析结果完全一致。注意：routh（）和hurwitz（）不是MATLAB中自带的功能函数，须加载ctrllab3.1文件夹（自编）才能运行。三、实验内容1观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线？试分别绘制。2对典型二阶系统1）分别绘出，分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数对系统的影响，并计算=0.25时的时域性能指标。

30、2）绘制出当=0.25, 分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数对系统的影响。3系统的特征方程式为，试用三种判稳方式判别该系统的稳定性。4单位负反馈系统的开环模型为试分别用劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定判据判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K值范围。四、实验报告1根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的MATLAB运算结果。2. 记录各种输出波形，根据实验结果分析参数变化对系统的影响。3总结判断闭环系统稳定的方法，说明增益K对系统稳定性的影响。4写出实验的心得与体会。五、预习要求1. 预习实验中基础知识，运行编制好的MATLAB语句，熟悉MATLAB指令及step

31、( )和impulse( )函数。2. 结合实验内容，提前编制相应的程序。3思考特征参量和对二阶系统性能的影响。4熟悉闭环系统稳定的充要条件及学过的稳定判据。实验三 线性系统的根轨迹一、实验目的1. 熟悉MATLAB用于控制系统中的一些基本编程语句和格式。2. 利用MATLAB语句绘制系统的根轨迹。3. 掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法。4. 掌握系统参数变化对特征根位置的影响。二、基础知识及MATLAB函数根轨迹是指系统的某一参数从零变到无穷大时，特征方程的根在s平面上的变化轨迹。这个参数一般选为开环系统的增益K。课本中介绍的手工绘制根轨迹的方法，只能绘制根轨迹草图。而用MATLAB可以方便地绘制精确的根轨迹图，并可观测参数变化对特征根位置的影响。假设系统的对象模型可以表示为系统的闭环特征方程可以写成对每一个K的取值，我们可以得到一组系统的闭环极点。如果我们改变K的数值，则可以得到一系列这样的极点集合。若将这些K的取值下得出的极点位置按照各个分支连接起来，则可以得到一些描述系统闭环位置的曲线，这些曲线又称为系统的根轨迹。绘制系统的根轨迹rlocus（）MATLAB中绘制根轨迹的函数调用格式为：rlocus(num,den) 开环增益k的范围自动设定。rlocus(num,d en,k)