自動(dòng)控制原理試驗(yàn)報(bào)告

1、WORD格式自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：學(xué)號(hào)： 專業(yè)： 班級(jí)： 時(shí)段： 成績(jī)：工學(xué)院自動(dòng)化系專業(yè)資料整理WORD格式實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的 MATLAB仿真、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉 MATLAB桌面和命令窗口， 初步了解 SIMULINK 功能模塊的使用方法。2通過觀察典型環(huán)節(jié)在單位階躍信號(hào)作用下的動(dòng)態(tài)特性，加深對(duì)各典型環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線的理解。3定性了解各參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。、實(shí)驗(yàn)原理1比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Z2R1 100Z1K R2 200K G( s)其對(duì)應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-3所示。圖 1-3 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按下列各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

2、，建立相應(yīng)的SIMULINK仿真模型，觀察并記錄其單位階躍響應(yīng)波形。比例環(huán)節(jié) G1 (s)1 和 G1(s)G (s)2慣性環(huán)節(jié) G (s)10.5積分環(huán)節(jié) G ( ) s 1微分環(huán)節(jié) G1 (s)比例 +微分環(huán)節(jié)(PD)( )G1G2(s)比例 +積分環(huán)節(jié)(PI)1和 G (s) 1專業(yè)資料整理WORD格式12ssG (四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析專業(yè)資料整理WORD格式 仿真模型及波形圖 G1 (s)1 和 G1(s) 2 仿真模型及波形圖1G (s) 和1s 11G (s)20.6s 1G (s) 1 積分環(huán)節(jié)1G (s)25 微分環(huán)節(jié)專業(yè)資料整理WORD格式專業(yè)資料整理WORD格式 比例 +微分

3、環(huán)節(jié)（ PD） 比例 +積分環(huán)節(jié)（ PI）專業(yè)資料整理WORD格式五、分析及心得體會(huì)專業(yè)資料整理WORD格式實(shí)驗(yàn)二線性系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮瘮?shù)的使用方法，研究線性系統(tǒng)在1熟練掌握 step( ) 函數(shù)和 impulse( )單位階躍、單位脈沖及單位斜坡函數(shù)作用下的響應(yīng)。2通過響應(yīng)曲線觀測(cè)特征參量 和 n 對(duì)二階系統(tǒng)性能的影響。3熟練掌握系統(tǒng)的穩(wěn)定性的判斷方法。、基礎(chǔ)知識(shí)及 MATLAB函數(shù)一)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)域分析法直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以提供系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的全部信息，具有直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。為了研究控制系統(tǒng)的時(shí)域特性，經(jīng)常采用瞬態(tài)響應(yīng)(如階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)和斜坡響應(yīng)) 。本次實(shí)驗(yàn)從分析

4、系統(tǒng)的性能指標(biāo)出發(fā)，給出了在 MATLAB環(huán)境下獲取系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)和分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的方法。用 MATLAB求系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，將傳遞函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)分m一般小別以 s 的降冪排列寫為兩個(gè)數(shù)組num、 den。由于控制系統(tǒng)分子的階次于其分母的階次 n，所以 num中的數(shù)組元素與分子多項(xiàng)式系數(shù)之間自右向左逐次對(duì)齊，不足部分用零補(bǔ)齊，缺項(xiàng)系數(shù)也用零補(bǔ)上。1用 MATLAB求控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)1)階躍響應(yīng)求系統(tǒng)階躍響應(yīng)的指令有：step(num,den)時(shí)間向量 t 的范圍由軟件自動(dòng)設(shè)定，階躍響應(yīng)曲線隨即繪出step(num,den,t)時(shí)間向量 t 的范圍可以由人工給定例如

5、t=0:0.1:10 )y ， x=step(num,den)返回變量 y 為輸出向量， x 為狀態(tài)向量在 MATLAB程序中，先定義 num,den數(shù)組，并調(diào)用上述指令，即可生成單位階躍輸入信號(hào)下的階躍響應(yīng)曲線圖?？紤]下列系統(tǒng)：C(s)R(s)252 s 25 s 4該系統(tǒng)可以表示為兩個(gè)數(shù)組，每一個(gè)數(shù)組由相應(yīng)的多項(xiàng)式系數(shù)組成，并且以專業(yè)資料整理WORD格式的降冪排列。則 MATLAB的調(diào)用語句：t=0:0.1:10;c=;num=0 025;%定義分子多項(xiàng)式den=1 425;% 定義分母多項(xiàng)式c,x,t=step(num,den,t);%調(diào)用階躍響應(yīng)函數(shù)求取單位階躍響應(yīng)曲線plot(t,c

6、,-);畫圖grid;畫網(wǎng)格標(biāo)度線xlabel(t/s),ylabel(h(t);%給坐標(biāo)軸加上說明title(Unit-step Response of G(s)=2/5(s2+4s+25)%給圖形加上標(biāo)題名則該單位階躍響應(yīng)曲線如圖2-1 所示：圖 2-1 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖 2-2 定義時(shí)間范圍的單位階躍響應(yīng)為了在圖形屏幕上書寫文本，可以用三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容text 命令在圖上的任何位置加標(biāo)注。1觀察函數(shù) step( )為和 impulse( ) 的調(diào)用格式，假設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型s 2 3s 7G(s) 4 s 23s 4s 6s4s 1可以用幾種方法繪制出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線？試分別繪制

7、。1、階躍響應(yīng) t=0:0.1:10;c=; num=0 0 1 3 7; den=1 4 6 4 1;c,x,t=step(num,den,t);plot(t,c, - ); grid;xlabel( t/s ),ylabel( h(t) );專業(yè)資料整理WORD格式)2、脈沖響應(yīng)num=0 0 1 3 7; den=1 4 6 4 1; impulse(num,den) gridtitle( Unit-impulseResponse of G(s)=s2+3s+7/(s4+4s3+6s2+4s+1)title( Unit-step Response of G(s)=s2+3s+7/(s4+

8、4s3+6s2+4s+1)2對(duì)典型二階系統(tǒng)G(s)n2s2 n2sn1)分別繪出 n 2(rad / s)分別取 0,0.25,0.5,1.0和 2.0 時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù) 對(duì)系統(tǒng)的影響，并計(jì)算=0.25 時(shí)的時(shí)域性能指標(biāo)p ,t ,t , t ,e 。r p sssnum=0 0 4; den1=1 0 4; den2=1 1 4;den3=1 2 4; den4=1 4 4; den5=1 8 4;專業(yè)資料整理WORD格式t=0:0.1:10;step(num,den1,t)8專業(yè)資料整理WORD格式2)繪制出當(dāng)=0.25, n 分別取對(duì)系統(tǒng)的影響。 num1=0 0 1; d

9、en1=1 0.54;num3=0 0 16; den3=1 2 16;36;1, 2,4, 6 時(shí)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù) n1; num2=0 0 4; den2=1 1num4=0 0 36;den4=1 3gridgtext( Zeta=0); holdCurrent plotheldstep(num,den2,t)gtext( 0.25)step(num,den3,t)gtext( 0.5)step(num,den4,t)gtext( 1.0)step(num,den5,t)gtext( 2.0)t=0:0.1:10; step(num1,den1,t)gridgtext(1);

10、holdCurrent plot held專業(yè)資料整理WORD格式 step(num2,den2,t) gtext(2); step(num3,den3,t) gtext(4); step(num4,den4,t) gtext(6);3單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)模型為G (s)K(s 2)( s 4)( 2 s 25) s 6試判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并求出使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的 K 值范圍 roots(1,12,69,198,200) ans =-3.0000 + 4.0000i-3.0000 - 4.0000i-4.0000-2.0000特征方程的根部都具有負(fù)實(shí)部，因而系統(tǒng)穩(wěn)定 四、分析及心得體會(huì)10專業(yè)

11、資料整理WORD格式1.2.利用 MATLAB語句繪制系統(tǒng)的根軌跡。3.掌握用根軌跡分析系統(tǒng)性能的圖解方法。實(shí)驗(yàn)三 線性系統(tǒng)的根軌跡、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜?MATLAB用于控制系統(tǒng)中的一些基本編程語句和格式。4.掌握系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)特征根位置的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理1）繪制系統(tǒng)的根軌跡rlocus （）MATLAB中繪制根軌跡的函數(shù)調(diào)用格式為：rlocus(num,den)開環(huán)增益 k 的范圍自動(dòng)設(shè)定。rlocus(num,den,k)開環(huán)增益 k 的范圍人工設(shè)定。rlocus(p,z)依據(jù)開環(huán)零極點(diǎn)繪制根軌跡。r=rlocus(num,den)不作圖，返回閉環(huán)根矩陣。r,k=rlocus(num,den)

12、不作圖，返回閉環(huán)根矩陣r 和對(duì)應(yīng)的開環(huán)增益向量 k 。其中，num,den 分別為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式系數(shù)，按降冪排列。K 為根軌跡增益，可設(shè)定增益范圍。例 3-1 ：已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)(sG( s)1)s s24 2 9，繪制系統(tǒng)的根軌跡的 MATLAB的調(diào)用語句如下：num=1 1;定義分子多項(xiàng)式den=1 4 2 9;%定義分母多項(xiàng)式rlocus (num,den)%繪制系統(tǒng)的根軌跡grid%畫網(wǎng)格標(biāo)度線xlabel( Real Axis ),ylabelI(mag ） %給坐標(biāo)軸加上說明title(Root Locus )則該系統(tǒng)的根軌跡如圖3-1 所示：11inar

13、y Axis%給圖形加上標(biāo)題名WORD格式三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及分析1請(qǐng)繪制下面系統(tǒng)的根軌跡曲線G (s)程序： G=tf(1,1,8,27,38,26,0);rlocus (G); k,r=rlocfind(G)G_c=feedback(G,1);step(G_c)30.61-2.8147 + 2.1754i-2.8147 - 2.1754i-2.37080.6 + 1.0001i0.1 - 1.0001i%形成單位負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)100)(10)程序： G=tf(1,12,1,23,233,1220,1000);rlocus (G);%形成單位負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng) k,r=rlocfind(G)G_c=f

14、eedback(G,1);k =1.180 e+003專業(yè)資料整理WORD格式0.26 + 9.8647i0.26 - 9.8647i12專業(yè)資料整理WORD格式-11.5026 + 1.8702i-11.5026 - 1.8702iG(s) s(0.0714K (0.05s1)s1)( 0.012s0.11)程序： G=tf(1.05,0.008568,0.012,0.0714,0.814,1,0);rlocus (G); k,r=rlocfind(G)G_c=feedback(G,1);%形成單位負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)step(G_c)0.190.7 + 4.3366i0.2 - 4.3366i3

15、.73761.39810.0020無論 K 值怎么變化系統(tǒng)都不穩(wěn)定。1.181 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 rltool同時(shí)得出在單位階躍負(fù)反饋下使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的 K 值的范圍。 界面中，通過添加零點(diǎn)和極點(diǎn)方法，試湊出上專業(yè)資料整理WORD格式述系統(tǒng)，并觀察增加極、零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響13專業(yè)資料整理WORD格式G( s)s(s 613)添加極點(diǎn) -1+j ，-1-j四、分析及心得體會(huì)專業(yè)資料整理WORD格式14專業(yè)資料整理WORD格式實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)的頻域分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握用 MATLAB語句繪制各種頻域曲線。2掌握控制系統(tǒng)的頻域分析方法。、基礎(chǔ)知識(shí)及 MATLAB函數(shù)它是通過研究系頻域分析法是應(yīng)用頻域

16、特性研究控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法。統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性來分析系統(tǒng)的。采用這種方法可直觀的表1頻率曲線主要包括三種：達(dá)出系統(tǒng)的頻率特性，分析方法比較簡(jiǎn)單，物理概念明確。Nyquist 圖、 Bode 圖和 Nichols 圖。1） Nyquist 圖的繪制與分析MATLAB中繪制系統(tǒng) Nyquist圖的函數(shù)調(diào)用格式為：nyquist(num,den)頻率響應(yīng) w 的范圍由軟件自動(dòng)設(shè)定nyquist(num,den,w)頻率響應(yīng) w 的范圍由人工設(shè)定Re,Im= nyquist(num,den)例 4-1 ：已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為返回奈氏曲線的實(shí)部和虛部向量，不作圖2s 62G( s

17、) 3Nyquists 2s 5s 2，試?yán)L制圖，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。num=2 6;den=1 2 5 2;z,p,k=tf2zp(num,den); pnyquist(num,den)極點(diǎn)的顯示結(jié)果及繪制的Nyquist 圖如圖 4-1 所示。由于系統(tǒng)的開環(huán)右根數(shù)P=0，系統(tǒng)的 Nyquist 曲線沒有逆時(shí)針包圍（ -1 ， j0 ）點(diǎn)，所以閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。-0.7666 + 1.9227i -0.7666 - 1.9227i -0.466815圖 4-1 開環(huán)極點(diǎn)的顯示結(jié)果及 Nyquist 圖 專業(yè)資料整理WORD格式2 間的 Nyquist 圖，則對(duì)應(yīng)的 MATLAB語句為：若上例要求

18、繪制3(10 ,10 )num=2 6;den=1 2 5 2;-1 和 10 1 之間，產(chǎn)生 100 個(gè)等距離的點(diǎn)w=logspace(-1,1,100); 即在 10 nyquist(num,den,w)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1典型二階系統(tǒng)2nG(s) 2s 2 n2 s n繪制出 n 6，0.1 ，0.3 ，0.5 ，0.8 ，2 的 bode圖，記錄并分析對(duì)系統(tǒng) bode圖的影響。程序： num=0036;den1=11.236; den2=13.6 36;den3=1 636;den4=1 9.636;den5=1 2436;bode(num,den1)gridhold bode(num,de

19、n2)bode(num,den3)bode(num,den4)bode(num,den5)專業(yè)資料整理WORD格式16專業(yè)資料整理WORD格式2系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為10G(s)2 sss (5 1)(5)程序： Nyquist 曲線num=10; den=conv(5,-1,1,5),0,0; w=logspace(-1,1,100);nyquist(num,den,w)專業(yè)資料整理WORD格式17專業(yè)資料整理WORD格式Bode 曲線num=10; den=conv(5,-1,1,5),0,0; w=logspace(-1,1,100);bode(num,den,w)G (s)8(s 1)2

20、s s s2s( 15 )( 610)程序： Nyquist 曲線num=8 8;den=conv(1,15,1,6,10),0,0;專業(yè)資料整理WORD格式18專業(yè)資料整理WORD格式Bode 曲線num=8 8; den=conv(1,15,1,6,10),0,0; w=logspace(-1,1,100); bode(num,den,w)G (s)4( 1)s(0.02ss/31)(0.05s1)( 0.1s 1)程序： Nyquist 曲線num=4/3 4;den=0.0001 0.008 0.17 1 0; w=logspace(-1,1,100); nyquist(num,den

21、,w)專業(yè)資料整理WORD格式19專業(yè)資料整理WORD格式Bode 曲線num=4/3 4;den=0.0001 0.008 0.17 1 0; w=logspace(-1,1,100);bode(num,den,w)繪制系統(tǒng)的 Nyquist 曲線、 Bode 圖，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過繪制階躍響應(yīng)曲線驗(yàn)證。3已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)s 1 。求系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率、2 s s ( 0.1 1)20專業(yè)資料整理WORD格式穿越頻率、幅值裕度和相位裕度。應(yīng)用頻率穩(wěn)定判據(jù)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 程序： num=1 1; den=0.11 0 0;gm,pm,wcg,wcp=margin(nu

22、m,den);gm,pm,wcg,wcpgm = Infpm = 44.4594wcg = Infwcp = 1.2647四、分析及心得體會(huì)21專業(yè)資料整理WORD格式實(shí)驗(yàn)六 單容下水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 單回路控制1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1）學(xué)會(huì)操作 A3000 過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（ 2）了解 PID 控制規(guī)律，學(xué)習(xí)初步整定參數(shù)。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、單容下水箱液位 PID 控制流程圖如下圖所示。單容下水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 單回路控制測(cè)點(diǎn)清單如下表所示水介質(zhì)由泵 P102 從水箱 V104 中加壓獲得壓頭，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥 FV-101 進(jìn)入水 箱 V103，通過手閥 QV-116 回流至水箱 V104

23、 而形成水循環(huán)； 其中， 水箱 V103 的液 位由 LT-103 測(cè)得，用調(diào)節(jié)手閥 QV-116 的開啟程度來模擬負(fù)載的大小。 本例為定 值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， FV-101 為操縱變量， LT-103 為被控變量， 采用 PID 調(diào)節(jié)來完 成。2、在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)上，打開手閥QV102、 QV105，調(diào)節(jié)下水箱閘板 QV116 開度（ 可以稍微大一些 ） ，其余閥門關(guān)閉。22專業(yè)資料整理WORD格式3、在控制系統(tǒng)上， 將 IO 面板的下水箱液位輸出連接到AI0 ，IO 面板的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制端連到 AO0。 注意：具體那個(gè)通道連接指定的傳感器和執(zhí)行器依賴于控制器編程。 對(duì)于全連好 線的系統(tǒng)，例如 DCS，則必須安裝已經(jīng)接線的通道來編程。4、打開設(shè)備電源。啟動(dòng)右邊水泵 P102 和調(diào)節(jié)閥。5、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入測(cè)試項(xiàng)目界面。啟動(dòng)調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，可 將調(diào)節(jié)