计算机控制系统实验指导书(于)

测控技术与仪器专业《计算机控制系统》课程实验指导书自动控制工程系沈阳工程学院目录实验一基于MATLAB的典型环节模拟实验.............................................1实验二基于MATLAB控制系统瞬态响应和稳定性分析...........................6实验三基于MATLAB控制系统频率响应分析........................................10实验四基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响.....................12实验五直流电机PID控制.......................................................................14实验六水箱液面控制实验........................................................................16测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书1实验一基于MATLAB的典型环节模拟实验一、实验目的1.熟悉MATLAB中模拟仿真环境和SIMULINK软件包的使用；2.掌握控制系统的模型表示方法以及Setp函数的使用。3.根据典型环节中的各阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。二、实验原理1.采用MATLAB中Simlink软件包来模拟各种典型环节，并在阶跃输入信号观察其输出响应曲线。2.采用Setp函数，在MATLAB环境下绘制各种典型环节的单位阶跃响应曲线。setp命令格式：[y,x]=step(num,den,t)三、实验内容1.运用Simulink软件包画出各种典型环节的模拟电路图，并画出各环节在阶跃输入信号作用下的响应输出波形；各环节的传递函数如下：（1）比例环节：2)(1)(21sGsG和测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书2（2）积分环节：ssGssG5.01)(1)(21和（3）比例积分环节：ssGssG11)(5.012)(21和测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书3（4）惯性环节：14.02)(11)(21ssGssG和测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书4（5）比例积分微分环节：sssGsssG11)(25.012)(21和2、采用Setp函数求取上述各典型环节的阶跃响应曲线，并绘制其对应的曲线。num1=[1]den1=[1]step(num1,den1)holdonnum2=[2]step(num2,den1)den3=[1,0]step(num1,den3)den4=[0.50]step(num1,den4)测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书5[num5,den5]=parallel(num2,den1,num1,den4)step(num5,den5)[num6,den6]=parallel(num1,den1,num1,den3)step(num6,den6)den7=[11]step(num1,den7)den8=[0.41]step(num2,den8)num9=[2,0][num10,den10]=parallel(num2,den1,num1,den4,num9,den1)step(num10,den10)num11=[10][num12,den12]=parallel(num1,den1,num2,den1,num10,den1)step(num12,den12)四、实验思考题1.运算放大器模拟环节的传递函数是在什么情况下推导出来的？2.积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可近似为积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？3.积分环节和惯性环节的时间常数，如何从阶跃响应的曲线中测出？五、实验报告要求1.给出各个典型环节的传递函数。2.给出各个典型环节的单位响应曲线。测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书6实验二基于matlab控制系统瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1.熟悉MATLAB中模拟仿真环境和SIMULINK软件包的使用；2.记录下不同开环增益时二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS；3.通过增益的调整，观察系统输出波形，加深增益K变化对系统稳定性的影响。二、实验原理1.通过函数Setp对给定系统，在不同增益的情况下求取系统的阶跃响应曲线，并根据时域性能指标的定义，从输出波形图上求取出超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS；setp命令格式：[y,x]=step(num,den,t)2.由闭环系统的稳定性的充分必要条件可知，闭环系统稳定其特征根应当具备负实部的特点。当存在实部等于0（纯虚根）的极点，系统为临界稳定。Roots命令格式：roots(d)其中d为特征多项式的系数矩阵。3.在Simulink环境下，通过改变不同增益绘制出相对应的波形图，了解增益K变化对稳定性的影响。三、实验内容1.通过函数Setp，求取传递函数KGs)0.5s(0.2s1)（增益K在10、5、2、1时的四条响应曲线，并从响应曲线上求得超调量MP、峰值时间tP和调节时间tSfigure(1)num1=[20]den1=[0.10.520]roots(den1)step(num1,den1)figure(2)num2=[10]den2=[0.10.510]roots(den2)step(num2,den2)figure(3)num3=[5]测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书7den3=[0.10.55]roots(den3)step(num3,den3)figure(4)num4=[1]den4=[0.10.51]roots(den4)step(num4,den4)figure(1)Mp=57%,tp=0.227,ts=1.18figure(2)Mp=44%,tp=0.321,ts=1.12figure(3)测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书8Mp=30%,tp=0.486,ts=1.19figure(4)Mp=2%,tp=1.02,ts=1.022.通过Roots函数求得闭环传递函数特征根的方法，判断系统的稳定性。-2.5000+13.9194i-2.5000-13.9194iK=10时系统稳定-2.5000+9.6825i-2.5000-9.6825iK=5时系统稳定-2.5000+6.6144i-2.5000-6.6144iK=1时系统稳定-2.5000+1.9365i-2.5000-1.9365i测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书9四、实验报告要求1．编制程序实现上面程序。2．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上(响应曲线请用虚线表示)。测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书10实验三基于MATLAB控制系统频率响应分析一、实验目的掌握用MATLAB软件中bode图（幅频/相频特性曲线）、nyquist曲线、margin命令的使用。二、实验原理频域分析法是应用频率特性研究控制系统的一种经典方法。它主要包括三种方法：bode图（幅频/相频特性曲线）、nyquist曲线、nichols图。bode命令功能：绘制波特图。格式：[mag,phase,w]=bode(num,den)[mag,phase,w]=bode(num,den,w)nyquist命令功能：绘制奈奎斯特图。格式：[re,im,w]=nyquist(num,den)[re,im,w]=nyquist(num,den,w)nichols命令功能：绘制尼科尔斯图。格式：[M,P]=nichols(num,den)margin命令功能：求幅值和相位裕量，以及幅值和相位交界频率。格式：[GM，PM，wcg，wcp]=margin(M,P)三、实验内容1.试绘制一单位反馈系统的开环传递函数为)02.01)(2.01()(sssKsG，K=10时的伯德图。测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书11num=[10]den=conv(conv([0.2,1],[0.02,1]),[1,0])tf(num,den)bode(num,den)gridmargin(num,den)2.当K=10时系统的相位裕量和幅值裕量，并判断系统的稳定性。相位裕量：37.7度幅值裕量-16。8db系统稳定四、实验报告要求3．编制程序实现上面程序。4．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上(响应曲线请用虚线表示)。测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书12实验四基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响一、实验目的让学生初步掌握MATLAB软件在离散控制系统分析和设计中的应用。二、实验原理1．连续系统的离散化。在MATLAB软件中，对连续系统的离散化主要是利用函数c2dm()函数来实现的，c2dm()函数的一般格式为C2dm(num,den,T,method)，可以通过MATLAB的帮助文件进行查询。其中：Num：传递函数分子多项式系数；Den：传递函数分母多项式系数；T：采样周期；Method：转换方法；允许用户采用的转换方法有：零阶保持器（ZOH）等五种。三、实验内容2．求离散系统的相应：在MATLAB中，求采样系统的响应可运用dstep()，dimpulse()，dlsim()来实现的。分别用于求取采样系统的阶跃，脉冲，零输入及任意输入时的响应，其中dstep()的一般格式如下：dstep(num,den,n)，可以通过MATLAB的帮助文件进行查询。其中：Num：传递函数分子多项式系数；测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书13Den：传递函数分母多项式系数；N：采样点数；四、实验报告要求1．编制程序实现上面两个程序。2．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上。3．在第1个例子中，改变采样周期为0.25，0.5，0.75，重新运行程序，把结果和原来结果进行比较，并说明为什么？4．在第2个例子中，改变采样点数为70，重新运行程序，把结果和原来结果进行比较，并说明为什么？测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书14实验五直流电机PID控制一、实验目的综合运用所学控制知识设计控制器，对直流电机转速控制模型进行控制，达到快速调整直流电机转速的目的。二、实验内容直流电机转速控制模型是一个经典的控制理论教学模型，它具有物理模型简单、概念清晰，便于用控制理论算法进行控制的特点。其力学模型如图2所示。直流电机的模型参数如下：转动惯量(J)=0.01kg.m^2/s^2机械阻尼(b)=0.1Nms电磁力常数(K)=0.01Nm/Amp电阻(R)=1ohm电感(L)=0.5H输入电压(V)输出转轴位置(θ)给电机输入一个阶跃电压控制号，得系统的开环转速响应信号如下：测控技术与仪器专业《计算机控制系统》实验指导书15电机转速上升速度过慢，上升时间过长。要求根据所学的控制理论知识，设计出一个直流电机转速控制器，使其阶跃响应满足：上升时间1秒、过冲量10%、稳态误差2%。三、实验设备1.计算机1台2.DRLink计算机控制平台1套四、实验步骤1.运行DRLink主程序，点击DRLink快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的“DRLink采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。2.在DRLink软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“直流电机转速控制模型”，建立实验环境，如下图所示。设定PID控制器的参数，观察不同参数时直流电机转速变化情况。3.对上面实验进行修改，直接观察其开环阶跃响应情况。4.用根轨迹法、Bode图法等系统性能校正方法，设计其它控制器，观察它们对直流电机转速控制性能的改进效果。五、实验报告要求1.简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。2.按实验步骤附上相应的信号波形曲线，总结实验得出的主要结论。测控技术与仪器专业《计