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文檔簡介

1、【例4.1】已知二階系統(tǒng)的超調(diào)量%=20%,求系統(tǒng)的阻尼比?!窘狻砍绦颍簊igma=0.2;zeta=(log(1/sigma)2/(pi)2+(log(1/sigma)2)(1/2)zeta = 0.4559 即求得系統(tǒng)阻尼比=0.4559【例4.2】已知二階系統(tǒng)的=0.46,求系統(tǒng)的超調(diào)量%?!窘狻砍绦颍簔eta=0.46;sigma=2.7182(-pi*zeta/(1-(zeta)2)(1/2)sigma = 0.1964 即求得系統(tǒng)超調(diào)量%=19.64%。2.2.峰值時間峰值時間tp3.3.調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間t ts shttp:/ y,t,x=step(sys)【例4.3】已知一個單

2、位反饋系統(tǒng)框圖如圖所示,其中) 14)(15 . 0(4 . 0)(ssssG函數(shù)feedback( )可求取反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù),該函數(shù)的調(diào)用格式為:G=feedback( G1,G2,Sign)Sign=1表示正反饋,表示正反饋,Sign=-1表示負(fù)反饋;表示負(fù)反饋;G1,G2G1,G2分別為前向通道和反饋通道傳遞函數(shù)分別為前向通道和反饋通道傳遞函數(shù) 加入以下MATLAB語句可以求系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下的給定穩(wěn)態(tài)誤差終值sr:)(.)(11)()(1)(1)()(1)()()()()()(sRsGsRsGsGsRssRssRsCsRsE)(lim0ssEesss1)(sGs求Trans

3、fer function: 2 s3 + 4.5 s2 + s2 s3 + 4.5 s2 + s + 0.4)(.1)(1.sUsGs求運行結(jié)果:MATLAB中,函數(shù)dcgain( )可求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的終值。該函數(shù)的調(diào)用格式為:esr=dcgain(G)。若,則結(jié)果esr為求系統(tǒng)給定穩(wěn)態(tài)誤差終值;若 ,則結(jié)果esr為求系統(tǒng)擾動穩(wěn)態(tài)誤差終值;)()(11.sUsGsG)()(1.0sNsGGsG補充知識補充知識:MATLABMATLAB基礎(chǔ)基礎(chǔ)一一MATLABMATLAB中的圖形工具中的圖形工具 LTI ViewerLTI Viewer 以【例4.3】系統(tǒng)為例來說明怎樣使用MATLAB中,LTI

4、Viewer求系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)。在MATLAB命令框輸入以下命令:或運行【例4.3】中的M文件系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。 在MATLAB提示符后,輸入ltiview,即可啟動該圖形軟件,顯示窗口如圖所示。從File的下拉菜單中選中import選項選擇需要仿真的系統(tǒng)。選擇窗口中的Lsys系統(tǒng),并用鼠標(biāo)點擊OK在畫面中點擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“Characteristics”選項,再選擇“PeakTime”項可得階躍響應(yīng)曲線中的峰值時間為11.3。System:LsysPeakamplitued:1.35Overshoot(%):34.9Attime:11.3 在畫面中點擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“Character

5、istics”選項,再選擇“SettlingTime”、“RiseTime”、“SteadyState”選項可得階躍響應(yīng)曲線中的調(diào)節(jié)時間為36.3,上升時間為4.4,穩(wěn)態(tài)值為1(穩(wěn)態(tài)誤差為0)。本例中,通過點擊“Edit”菜單,在彈出的下拉菜單中選擇“ViewerPreferences”項,設(shè)定階躍響應(yīng)的上升時間范圍為最終穩(wěn)態(tài)值的090%,調(diào)整時間的誤差帶為2%。二仿真工具二仿真工具SimulinkSimulink簡介簡介(一)Simulink界面界面Simulink圖標(biāo)連續(xù)系統(tǒng)模塊組離散系統(tǒng)模塊組函數(shù)和表模塊組數(shù)學(xué)運算模塊組非線性模塊組信號與系統(tǒng)模塊組輸出模塊組信號源模塊組(二)模型窗口的建

6、立(二)模型窗口的建立打開“untitled”窗口有三種方法: 在MATLAB的命令窗口中選擇FileNewModel菜單項; 單擊Simulink工具欄中的“新建模型”圖標(biāo);如果Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖已經(jīng)存在,那么在MATLAB指令窗口下直接鍵入模型文件名字,便會直接打開該模型動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的模型窗口。(三)框圖模型建立舉例(三)框圖模型建立舉例【例4.4】已知一個單位反饋系統(tǒng)框圖如圖所示,其中。) 14)(15 . 0(4 . 0)(ssssGR=1試?yán)L制其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模型,標(biāo)注模塊標(biāo)題“二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)”,并以文件名“Zhang4sys1”文件名存盤。繪制該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步驟如下: 按以下步

7、驟創(chuàng)建一個新的“untitled”模型窗口。點擊Sources,選中信號源模塊組中的Step模塊,并拖拽到“untitled”模型窗口。 在各模塊庫中,選中需要的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊并拖拽到“untitled”模型窗口。雙擊“TransferFcn”模塊,在得出的對話框中,分別輸入系統(tǒng)的分子和分母參數(shù),即可得到修改后的系統(tǒng)模型。仿真參數(shù)的設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置啟動仿真仿真參數(shù)對話框及默認(rèn)值 從仿真曲線看,系統(tǒng)按默認(rèn)參數(shù)仿真,其結(jié)果不完整(過渡過程為結(jié)束)。需要修改仿真用參數(shù)后再仿真。解算器工作空間診斷 用鼠標(biāo)左鍵選中并單擊I積分環(huán)節(jié)模塊標(biāo)題“ntegrator”,將原標(biāo)題字符刪除重新輸入漢字“積分環(huán)節(jié)”;并

8、可依次修改其他模塊標(biāo)題。最后,再在窗口空白處,雙擊鼠標(biāo)左鍵,輸入文字“二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)”。 對建好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模型按“zhang4sys1.mdl”命名并存盤三簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的計算機輔助分析三簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的計算機輔助分析 用SIMULINK提供的linmod()和linmod2()兩個函數(shù),從連續(xù)系統(tǒng)中提取線性模型?!纠?.5】已知一個單位反饋系統(tǒng)框圖如圖所示其中) 14)(15 . 0(4 . 0)(ssssGR=1試?yán)L制出該系統(tǒng)的單位給定階躍響應(yīng)曲線并計算其性能指標(biāo)?!窘狻浚?1)根據(jù)題目要求,用step()函數(shù)命令編寫求單位階躍響應(yīng)的MATLAB程序段如下:a,b,c,d=lin

9、mod2(t501);sys=ss(a,b,c,d);step(sys) SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖t501.mdl文件存放在MATLAB中,存放路徑為MATLABR11work中。(2)用LTI Viewer圖形工具求系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)。四滯后系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析四滯后系統(tǒng)的時域響應(yīng)分析該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:scscesHsGsGesGsGsUsYs)()()(1)()()()()(00(一)滯后系統(tǒng)的近似時域分析(一)滯后系統(tǒng)的近似時域分析nnnnnnspspspsspspspssp)()()(21)() 1()()(21)(1322113221,典型n階pade近似傳遞函數(shù)模型為:p

10、ade()函數(shù)的調(diào)用格式為:np,dp= pade(T,n)其中,T為延遲時間,n為pade近似的階次。)()()()(1)()()()(,0,0spsHsGsGspsGsGsncnc以上閉環(huán)系統(tǒng)的近似傳遞函數(shù)為:【例4.6】已知閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如前所示。對象模型為:1)()(,.2450351024247)()(5 . 0234230sHsGesssssssesGsGcss對系統(tǒng)中的時間延遲采用上述。Pade近似來取代,輸入以下MATLAB語句求取系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。為了消除初始時間段的振蕩,實際應(yīng)用中,一般只對式scscesHsGsGesGsGsUsYs)()()(1)()()()()(

11、00分母中的延遲項進(jìn)行pade近似)()()()(1)()()(,00spsHsGsGesGsGsncsc考慮【例4.6】,按照上述近似方法,輸入以下MATLAB語句求取系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。上述1階、2階、3階、4階、5階pade近似都得到的階躍響應(yīng)曲線如右圖所示。實際應(yīng)用中,一般采用3階pade近似。(三)利用(三)利用SimulinkSimulink對滯后系統(tǒng)進(jìn)行時域分析對滯后系統(tǒng)進(jìn)行時域分析4.2 4.2 控制系統(tǒng)的頻域分析控制系統(tǒng)的頻域分析一頻域響應(yīng)一頻域響應(yīng)MATLABMATLAB仿真的函數(shù)指令格式仿真的函數(shù)指令格式 1.1.求連續(xù)系統(tǒng)求連續(xù)系統(tǒng)Bode圖的函數(shù)圖的函數(shù)bode( )

12、函數(shù)命令調(diào)用格式:mag,phase,w=bode(sys)bode(sys)【例4.7】已知某控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為試?yán)L制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線,即系統(tǒng)的bode圖。教材教材P127 例例5-2, 5 . 1,)2)(1()(KsssKsG【解】:根據(jù)要求,用MATLAB函數(shù)命令bode()編寫程序如下:k=1.5;num=1;den=conv(conv(1 0,1 1),1 2); k=1.5;num=1;den=conv(conv(1 0,1 1),1 2); sys=tf(num,den); sys=tf(num,den); bode(sys) bode(sys) 2.2.計算(繪制)系

13、統(tǒng)計算(繪制)系統(tǒng)Nyquist曲線的函數(shù)曲線的函數(shù)nyquist( )函數(shù)命令格式:re,im,w=nyquist(sys)nyquist(sys)nyquist()函數(shù)繪制的開環(huán)系統(tǒng)Nyquist曲線可以用來確定系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性。當(dāng)已繪制出開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)的Nyquist曲線時,如果Nyquist曲線按逆時針方向包圍(-1,j0)點p次(p為系統(tǒng)開環(huán)特征方程中不穩(wěn)定根的個數(shù)),則閉環(huán)系統(tǒng))(1)()(sGsGs是穩(wěn)定的。這就是Nyquist穩(wěn)定判據(jù)。應(yīng)用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)必須先繪制出Nyquist曲線,由此可見,nyquist()函數(shù)與Nyquist穩(wěn)定判據(jù)是密不可分的【例4.

14、8】已知直流單閉環(huán)系統(tǒng)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2-1所 示 。 圖 中 轉(zhuǎn) 速 閉 環(huán) 已 經(jīng) 斷 開 。 已 知 KP= 2 ; KS= 2 2 ;TS=0.00167(s);R=1;Tl=0.017(s);Ce=0.1925v/(r/min);Tm=0.075(s);=0.01178v/(r/min);試?yán)L制出該系統(tǒng)的Nyquist曲線,并用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)對閉環(huán)系統(tǒng)判穩(wěn)。【解】根據(jù)題目已知條件,直流傳動轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,用函數(shù)命令編寫MATLAB程序如下:圖4.2-1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)前向通道的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖程序:n1=1;d1=0.1

15、7 1;s1=tf(n1,d1);n2=1;d2=0.075,0;s2=tf(n2,d2);n2=1;d2=0.075,0;s2=tf(n2,d2);sys1=feedback(s1sys1=feedback(s1* *s2,1)s2,1); n3=0 44;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3);n4=0 1;d4=0 0.1925;s4=tf(n4,d4);n5=0 0.01178;d5=0 1;s5=tf(n5,d5);G=sys1*s3*s4*s5; nyquist(G) nyquist(G) p=4.099e-006 0.002478 0.01476 0.1925; p=

16、4.099e-006 0.002478 0.01476 0.1925; 或或 P=G.den1P=G.den1roots(p)roots(p)ans = 1.0e+002 * -5.9865 -0.0294 + 0.0835i -0.0294 - 0.0835i由運算數(shù)據(jù)知,特征方程的根全為穩(wěn)定根,即p=0。圖中,Nyquist曲線沒有包圍(-1,j0)點。另外,G(s)不穩(wěn)定根個數(shù)p=0,所以由G(s)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。3.求系統(tǒng)幅值裕度與相位裕度的函數(shù)求系統(tǒng)幅值裕度與相位裕度的函數(shù)margin( )函數(shù)命令調(diào)用格式:Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(sys)margin(ma

17、g,phase,)margin(sys)【例4.9】已知一單位反饋系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)為:sssssssssssG23456234510105281282)(試?yán)L制出Bode圖并計算系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)。【解】根據(jù)要求,調(diào)用函數(shù)命令margin()的MATLAB程序如下:num=0 0 2 8 12 8 2;den=1 5 10 10 5 1 0 ;sys=tf(num,den);mag,phase,w=bode(sys); gm,pm,wcp,wcg=margin(mag,phase,w)gm = 297.0483pm = 38.7511wcp = 24.4514wcg = 1.2476ma

18、rgin(mag,phase,w)二二 根軌跡分析根軌跡分析在MATLAB中,系統(tǒng)專門提供了函數(shù):rlocus()用來求系統(tǒng)根軌跡;rlocfind()用來計算給定根軌跡增益;pzmap()用來繪制系統(tǒng)的零極點圖等等,這些函數(shù)都能夠方便、簡單而快捷地繪制根軌跡或者進(jìn)行有關(guān)根軌跡計算。(一)有關(guān)根軌跡的幾個基本概念(一)有關(guān)根軌跡的幾個基本概念(二)根軌跡(二)根軌跡MATLABMATLAB仿真的函數(shù)指令格式仿真的函數(shù)指令格式1.1.繪制系統(tǒng)零極點圖的函數(shù)繪制系統(tǒng)零極點圖的函數(shù)pzmap( )函數(shù)命令調(diào)用格式:p,z=pzmap(a,b,c,d)p,z=pzmap(sys) p,z=pzmap(

19、p,z)【例4.10】已知一高階系統(tǒng)開環(huán)的傳遞函數(shù)為:2711. 66365. 00268. 00006. 03599. 90436. 10218. 00001. 0)(2323sssssssG試?yán)L制出該系統(tǒng)的零極點圖?!窘狻扛鶕?jù)要求,調(diào)用函數(shù)命令pzmap()的MATLAB程序如下:n1=0.0001 0.0218 1.0436 9.3599;d1=0.0006 0.0268 0.6365 6.2711;sys=tf(n1,d1);pzmap(sys)p,z=pzmap(sys)p = -13.3371 +20.0754i % 三個極點三個極點 -13.3371 -20.0754i -17.

20、9925 z = -154.2949 % 三個零點三個零點 -52.0506 -11.65452.2.系統(tǒng)根軌跡的函數(shù)系統(tǒng)根軌跡的函數(shù)rlocus( )函數(shù)命令調(diào)用格式:r,k=rlocus(a,b,c,d)r,k=rlocus(sys)r,k=rlocus(a,b,c,d,k)r,k=rlocus(num,den,k)【例4.11】續(xù)【例4.10】,試?yán)L制出該系統(tǒng)閉環(huán)的根軌跡圖?!窘狻扛鶕?jù)要求,調(diào)用函數(shù)命令pzmap()的MATLAB程序如下:n1=0.0001 0.0218 1.0436 9.3599;d1=0.0006 0.0268 0.6365 6.2711;sys=tf(n1,d1)

21、;rlocus(sys)3.3.給定一組根的系統(tǒng)根軌跡增益函數(shù)給定一組根的系統(tǒng)根軌跡增益函數(shù)rlocfind( )函數(shù)命令調(diào)用格式:k,poles=rlocfind(sys)k,poles=rlocfind(sys,P)【例4.12】已知一單位負(fù)反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:) 14)(15 . 0()(sssksG試?yán)L制系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖;并在根軌跡圖上任選一點,試計算該點的增益k及其所有極點的位置?!窘狻扛鶕?jù)要求,調(diào)用函數(shù)命令rlocfind()的MATLAB程序如下n1=1;d1=conv(1 0,conv(0.5 1,4 1); s1=tf(n1,d1); rlocus(s1); k,poles=rlocfind(s1) 該程序執(zhí)行后可得單位反饋系統(tǒng)的根軌跡圖,并在根軌跡圖窗口上顯示十字形光標(biāo),當(dāng)在復(fù)平面縱坐標(biāo)與根軌跡焦點附近選擇一點時,用鼠標(biāo)左鍵點擊該點,其相應(yīng)的增益由變量k記錄,與增益相關(guān)的

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