第5章 matlab在自动控制原理的应用
自动控制原理(第2版)(余成波_张莲_胡晓倩)习题全解及MATLAB实验第5章习题解答
第5章频率特性法频域分析法是一种图解分析法,可以根据系统的开环频率特性去判断闭环系统的性能,并能较方便地分析系统参量对系统性能的影响,从而指出改善系统性能的途径,已经发展成为一种实用的工程方法,其主要内容是:1)频率特性是线性定常系统在正弦函数作用下,稳态输出与输入的复数之比对频率的函数关系。
频率特性是传递函数的一种特殊形式,也是频域中的数学模型。
频率特性既可以根据系统的工作原理,应用机理分析法建立起来,也可以由系统的其它数学模型(传递函数、微分方程等)转换得到,或用实验法来确定。
2)在工程分析和设计中,通常把频率特性画成一些曲线。
频率特性图形因其采用的坐标不同而分为幅相特性(Nyquist图)、对数频率特性(Bode图)和对数幅相特性(Nichols图)等形式。
各种形式之间是互通的,每种形式有其特定的适用场合。
开环幅相特性在分析闭环系统的稳定性时比较直观,理论分析时经常采用;波德图可用渐近线近似地绘制,计算简单,绘图容易,在分析典型环节参数变化对系统性能的影响时最方便;由开环频率特性获取闭环频率指标时,则用对数幅相特性最直接。
3)开环对数频率特性曲线(波德图)是控制系统分析和设计的主要工具。
开环对数幅频特性L(ω)低频段的斜率表征了系统的型别(v),其高度则表征了开环传递系数的大小,因而低频段表征系统稳态性能;L(ω)中频段的斜率、宽度以及幅值穿越频率,表征着系统的动态性能;高频段则表征了系统抗高频干扰的能力。
对于最小相位系统,幅频特性和相频特性之间存在着唯一的对应关系,根据对数幅频特性,可以唯一地确定相应的相频特性和传递函数。
4)奈奎斯特稳定性判据是利用系统的开环幅相频率特性G(jω)H(jω)曲线,又称奈氏曲线,是否包围GH平面中的(-l,j0)点来判断闭环系统的稳定性。
利用奈奎斯特稳定判据,可根据系统的开环频率特性来判断闭环系统的稳定性,并可定量地反映系统的相对稳定性,即稳定裕度。
稳定裕度通常用相角裕量和幅值裕量来表示。
自动控制原理_第5章_3
在绘制各个典型环节频率特性的基础上, 可以绘制控制系统的频率特性。
5.3.1 控制系统开环频率特性的Nyquist图
一个控制系统的开环传递函数可以写成典型
环节的连乘积形式。
1
举例 一个开环传递函数为
K ( s 1) G( s) 2 2 s(T1s 1)(T2 s 2 T2 s 1)
27
2
对于非单位反馈系统, 在其开环频率特性幅值
G( j)H ( j) 很大的频段内, 闭环频率特性
1 ( j ) H ( j )
即近似等于反馈环节频率特性的倒数。
对于开环放大倍数 K 很大的闭环系统,在低频段
具有这个特点。
28
3
对于非单位反馈系统, 一般来说, 其开环
频率特性的高频段幅值很小。在这一频段内, 闭环
1
当 0 时,放大环节、惯性环节、振荡环节、
一阶微分环节、二阶微分环节的幅角均为 00 。
。 只有积分环节, 0 时,相角为 900 当
如果开环传递函数中含有 v 个积分环节,开环频率 特性的Nyquist图在 0 的起始处幅角为 v 900 。
6
2
当 0 时, 放大环节的幅值为 K ,
21
[例5-5] 控制系统的开环传递函数为
10( s 1) G( s) s(2.5s 1)(0.04s 2 0.24s 1)
绘制系统的渐近开环对数幅频特性和相频特性。
22
100 Magnitude (dB)
Asymptotic Bode Diagram
-20dB/dec
50
20
频率特性近似等于系统前向通道的频率特性。 一般来说,闭环系统在高频段内显示这一性质。 在工程实践中, 当开环幅频特性
自动控制原理课程教学中MATLAB仿真的应用
作 者 简介 :洪家 平 (94 ) 16 一 ,男 ,湖北 仙桃 人 ,副 教授 ,从 事计算 机控 制技 术 、嵌入式 系 统研 究. E ma :hnjpn5O 2 . r - i ogi ig1@16 o l a cn
Vo . 7 No2 12 . M a" l . 20 07
3 月
文章 编 号 :10 — 8 2 0 0 — 0 1 0 0 7 93 1( 0 7) 2 0 8 — 3
自动控 制原理课程 教学 中 M T A A L B仿真 的应用
洪家平
( 湖北 师范 学 院 计 算 机科学 系 ,湖北 黄石 4 50 ) 30 2
关键 词 :MA A TL B仿真 ;Smui i l k;课 程教 学 n
中图分 类号 :T 3 2: 6 2 P 1 G 4. 0 文献 标识 码 :A
0 引言
M TA A L B是一种直观 、高效 的计算机语言 ,同时也是一个科学计算平 台.它为数据分析和数据可视
化、 算法和应用程序的开发提供 了最核心 的数学和高级图形工具. 根据它提供的 50多个数学和工程函数 , 0 工程技术人员和科学工作者可以在它的集成环境中交互或编程 以完成各 自的计算.M T A A L B的另一重要的
2 自动控制原理课 程的仿真教学
灵活地使用已有的数学模型是非常重要的,它是 《 自动控制原理 》课程的基础知识之一.如果仅仅用
概念和文字介绍这些数学模型, 学生对它的理解还停 留在表面, 不能深入地理解.采用 M T A A L B中的控制 系统模块库 中的元件仿真 ,则能克服 以往教学中的不足,S un i l k的特有功能 ,更能使教学中以往不敢触 m i 及 的问题得到扩展和深入 ,能更形象化地反映控制系统的动态变化过程. 例 如 :某 一 对 象 为 三 阶传 递 函数 G (=2 50 s 8 . s 140) p ) 30/ 7 5 07 s,低 通 滤 波 器 的 传 递 函数 为 s5 (+ 3 + Qs 1o 4+ ) (=/ . s 1 ) (0 ,采样时间为 1m ,如图 1 s 和图 2 分别是不加低通滤波器和增加低通滤波器时的 M T A ALB 仿真输出.从 2 个仿真图就可以直观地看出该系统在增加低通滤波器前后的过渡过程的不同p .
MATLAB在“自动控制原理”课程中的应用研究
HEBEINONGJI摘要:“自动控制原理”是电气与自动化专业重要的专业基础课,内容抽象、复杂,学生理解困难。
近年来,随着MATLAB引入自动控制原理教学实践中,利用其强大的数值计算及绘图功能,对教学形式和内容进行了有力改革,从而有效地提高了课堂教学效率及教学效果。
关键词:自动控制原理;MATLAB;教学改革MATLAB在“自动控制原理力课程中的应用研究河北农业大学李珊珊孔德刚弋景刚袁永伟刘江涛引言自动控制原理是电气与自动化专业一门重要的专业技术基础课,该课程在内容体系中起着承上启下的作用。
主要介绍讨论了单输入一单输出定常系统的控制问题,讲授经典控制理论的三大分析方法一时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法,自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容,课程具有一定的抽象性,包含大量的数学内容和复杂计算。
通过学习,要求学生系统掌握自动控制的基本原理和基本方法,并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计。
学生普遍反映难以理解,内容枯燥。
基于此,需要对教学内容及教学方法进行更新,在教学中引入了MATLAB编程语言。
1现代教育理念1.1以学生为中心美国人本主义心理学家卡尔•罗杰斯于1952年提出“以学生为本”的教育理念,主张促进学生个性发展、人格完善和潜能发挥,使他们能够愉快地、创造性地学习和工作。
目前,这种教育理念仍然作为一种基本的现代教育理念。
1.2创新发展的理念党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念,其中创新被置于首位。
随着互联网技术的迅速发展,知识更新换代速度加快,对复合创新型人才的需求愈发强烈,人才培养要摒弃传统的知识灌溉模式,应将教学重点转移到重视研究方法学习、培养创新精神上。
1.3OBE教育理念OBE为"Outcomes-based Education"的缩写,OBE教育理念即基于成果导向的教育理念。
美国的Spady在《基于产出的教育模式:争议与答案》一书中把OBE定义为“关注和组织教育体系,以确保学生在未来的生活中获得实质性的成功经验”。
MATLAB在《自动控制原理》教学与实验中的应用
生在学 习 自动控 制理论的 同时学会使用 M T A A L B语言 , 不仅
对掌握 和应用 自动控 制理 论有帮 助 , 还可 以学会 使用 计算 机辅 助分析 和设 计控 制 系统 等 , 日 的工 作和学 习打下 为 后
基础 .
福音 . 在该课程多媒体 电子 教案制作时 , 由于既要考 虑理论
收稿 日期 :O 5 0 0 2O — 7— 4
作者简介 : 锦. (9 一 , 。 龚  ̄ 1 6 )女 江西九江人 , . 7 讲师
高教学质量 , 不断改进教学方法 、 改善实验条件 已成 为该 类 课程发展 的必然 趋势 . MA I TAB语言是 目前国际控制 界最 流行 的语 言 , 它集数 值计算 、 符号运算和图形处理等 强大 功能于一体 , 适用 于工 程应用各领域 的分析 、 设计 和复杂计算 j强大 的功能使 它 .
关 键 词: 自动控 制原理 ; A L B 课 堂教 学; M TA ; 实验教 学 文献标识码 : A 中圈分 类号 :4 4 1 G2.
0 引 言
<自动控制原理》 是高校 自动化专业 的重要专业基础课 , 也是其它 电类 专业 一 门重要 的专业 基础 课程 , 教学 上 占 在 有重要 的地位 , 其理论性 强, 既难 教 , 也难学 . 课程涉 及到控
析 的因素较多时 , 经常难 以用有 限的几种颜 色将它 们 区分 , 而且 曲线的准确度也难 以保证 , 系统分析结果 缺乏可视化的 直观表现 , 得学生难 以理解和接受 ; 使 此外 , 实践 性教学环节
matlab课程设计自动控制原理
matlab课程设计自动控制原理一、教学目标本课程的目标是使学生掌握自动控制原理的基本概念和MATLAB在自动控制领域的应用。
通过本课程的学习,学生应能理解自动控制系统的组成、工作原理和设计方法,熟练运用MATLAB进行自动控制系统的分析和仿真。
知识目标:学生通过本课程的学习,应掌握自动控制基本理论、MATLAB基本操作和自动控制系统仿真方法。
技能目标:学生应能熟练使用MATLAB进行自动控制系统的建模、仿真和分析,具备一定的实际问题解决能力。
情感态度价值观目标:培养学生对自动控制技术的兴趣和热情,提高学生运用现代技术手段进行科学研究的能力,培养学生的创新精神和团队合作意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括自动控制原理的基本概念、MATLAB的基本操作和自动控制系统的仿真方法。
1.自动控制原理:包括自动控制系统的组成、数学模型、稳定性分析、控制器设计和校正方法等。
2.MATLAB基本操作:包括MATLAB的安装和启动、变量和数据类型、矩阵运算、编程和函数的使用等。
3.自动控制系统仿真:包括MATLAB仿真环境的设置、Simulink的介绍和应用、控制系统仿真的方法和步骤等。
三、教学方法本课程采用讲授法、案例分析法和实验法相结合的教学方法。
1.讲授法:通过教师的讲解,使学生掌握自动控制原理的基本概念和MATLAB的基本操作。
2.案例分析法:通过分析实际案例,使学生理解和掌握自动控制系统的建模和仿真方法。
3.实验法:通过上机实验,使学生熟练掌握MATLAB自动控制系统仿真工具的使用,提高学生的实际操作能力。
四、教学资源本课程的教学资源包括教材、多媒体资料和实验室设备。
1.教材:选用《自动控制原理》和《MATLAB基础教程》作为主要教材,为学生提供系统的理论知识和实践指导。
2.多媒体资料:制作课件、教学视频等,以图文并茂的形式展示自动控制原理和MATLAB的操作方法。
3.实验室设备:提供计算机和MATLAB软件,供学生进行自动控制系统的仿真实验。
自动控制原理的MATLAB仿真与实践第5章 线性系统的频域分析
函数模型,如:tf(), zpk(), ss()。 bode(num,den):num,den分别为传递函数的分子与
margin(G);[Gm,Pm,Wcg,Wcp]= margin(G): 直接求出系统G的幅值裕度和相角裕度。 其中:Gm幅值裕度;Pm相位裕度;Wcg幅值裕度 处对应的频率ωc;Wcp相位裕度处对应的频率ωg。
nichols(G);nichols(G,w):绘制单位反馈系统开环传 递尼科尔斯曲线。
20
>>clear; num=[2, 3];den=[1, 2, 5, 7]; %G(s)的分子分母 多项式系数向量
p=roots(den) 求根结果:
%求系统的极点
p=
-0.1981 + 2.0797i
-0.1981 - 2.0797i
-1.6038 可见全为负根,则s右半平面极点数P=0。 绘制Nyquist曲线: >> nyquist(num,den) %绘制Nyquist曲线
本节分别介绍利用MATLAB进行频域绘图和频 率分析的基本方法。
6
5.2.1 Nyquist曲线和Bode图
MATLAB频率特性包括幅频特性和相频特性。 当用极坐标图描述系统的幅相频特性时,通常称为 奈奎斯特(Nyquist)曲线;用半对数坐标描述系 统的幅频特性和相频特性时,称为伯德(Bode) 图;在对数幅值-相角坐标系上绘制等闭环参数( M和N)轨迹图,称为尼克尔斯(Nichols)图。
自动控制原理_第5章习题解答-
第5章频率特性法教材习题同步解析一放大器的传递函数为:G (s )=1+Ts K测得其频率响应,当ω=1rad/s 时,稳态输出与输入信号的幅值比为12/2,稳态输出与输入信号的相位差为-π/4。
求放大系数K 及时间常数T 。
解:系统稳态输出与输入信号的幅值比为A ==222172K T ω=+ 稳态输出与输入信号的相位差arctan 45T ϕω=-=-︒,即1T ω=当ω=1rad/s 时,联立以上方程得T =1,K =12放大器的传递函数为:G (s )=121s +已知单位负反馈系统的开环传递函数为5()1K G s s =+ 根据频率特性的物理意义,求闭环输入信号分别为以下信号时闭环系统的稳态输出。
(1)r (t )=sin (t +30°); (2)r (t )=2cos (2t -45°);(3)r (t )= sin (t +15°)-2cos (2t -45°); 解:该系统的闭环传递函数为65)(+=Φs s 闭环系统的幅频特性为365)(2+=ωωA闭环系统的相频特性为6arctan )(ωωϕ-=(1)输入信号的频率为1ω=,因此有37375)(=ωA ,()9.46ϕω︒=- 系统的稳态输出537()sin(20.54)37ss c t t ︒=+ (2)输入信号的频率为2ω=,因此有10()A ω=,()18.43ϕω︒=- 系统的稳态输出10()cos(263.43)2ss c t t ︒=- (3)由题(1)和题(2)有对于输入分量1:sin (t +15°),系统的稳态输出如下5371()sin( 5.54)37ss c t t ︒=+ 对于输入分量2:-2cos (2t -45°),系统的稳态输出为102()cos(263.43)ss c t t ︒=-- 根据线性系统的叠加定理,系统总的稳态输出为)4363.632cos(210)537.5sin(37375)(︒︒--+=t t t c ss绘出下列各传递函数对应的幅相频率特性与对数频率特性。
自动控制原理第5章_线性控制系统的频率特性分析法
5. 2控制系统开环传递函数的对数频率特性
5.2.2 系统伯德图的绘制
开环对数幅频渐近特性曲线的绘制步骤: (1)把系统开环传递函数化为标准形式,即化为典型环节的传递函
数乘积,分析它的组成环节; (2)确定一阶环节、二阶环节的转折频率,由小到大将各转折频率
标注在半对数坐标图的频率轴上; (3)绘制低频段渐近特性线; (4)以低频段为起始段,从它开始每到一个转折频率,折线发生转
开环极点的个数。
5. 4 频域稳定判据与系统稳定性
5.4.4 控制系统的相对稳定性
开环频率特性 G( j)H( j)在剪切频率 c处所对应的相角与 180 之差称为相角裕度,记为 ,按下式计算
(c ) (180 ) 180 (c )
开环频率特性 G( j)H的( 相j)角等于 时所1对80应的角频率称为相
闭环系统稳定的充要条件是,当 由 0 时0,开 环奈奎斯 特曲线逆时针方向包围( )点 周1, j。0 是具P有2 正实部P 的开 环极点的个数。 需注意,若开环传递函数含有 v 个积分环节,所谓 由 0 0 ,指的 是由 0 0 0 ,此时奈 奎斯特曲线需顺时针增补 v 角度的无穷大半径的圆弧。
5. 4 频域稳定判据与系统稳定性
5.4.1 奈奎斯特稳定判据
若闭环系统在[ s]右半平面上有 个P开环极点,当 从 变化到
时,奈奎斯特曲线 G( j对)H点( j) 的包围1周, j数0 为 ( 为逆时N针,
为顺N 时 0针),则系统N<在0[ ]右半平面上的闭环极点s的个数为 。
折,斜率变化规律取决于该转折频率对应的典型环节的种类; (5)如有必要,可对上述折线渐近线加以修正,一般在转折频率处
自动控制原理MATLAB实验报告
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、实验原理1.比例环节的传递函数为KRKRRRZZsG200,1002)(211212==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1所示。
2.惯性环节的传递函数为ufCKRKRsCRRRZZsG1,200,10012.021)(121121212===+-=+-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图2所示。
图1 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形图2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ufCKRssCRZZsG1,1001.011)(111112==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图3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4所示。
5.比例+微分环节(PD)的传递函数为)11.0()1()(111212+-=+-=-=ssCRRRZZsGufCCufCKRR01.010,10012121=<<===其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图5所示。
图3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形图4 微分环节的模拟电路及及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6所示。
三、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。
自动控制原理MATLAB仿真实验报告
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、实验内容① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ;Simulink 图形实现:示波器显示结果:② 惯性环节11)(1+=s s G 和15.01)(2+=s s GSimulink 图形实现:示波器显示结果:③ 积分环节s s G 1)(1Simulink 图形实现:示波器显示结果:④ 微分环节s s G )(1Simulink 图形实现:波器显示结果:⑤ 比例+微分环节(PD )2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G1)、G1(s )=s+2Simulink 图形实现:示波器显示结果:2)、G2(s)=s+1 Simulink图形实现:示波器显示结果:⑥ 比例+积分环节(PI )s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+=1)、G1(1)=1+1/sSimulink 图形实现:示波器显示结果:2)G2(s)=1+1/2s Simulink图形实现:示波器显示结果:三、心得体会通过这次实验我学到了很多,对课本内容加深了理解,熟悉MATLAB桌面和命令窗口,初步了解SIMULINK功能模块的使用方法,加深对各典型环节响应曲线的理解,这为对课程的学习打下了一定基础。
实验二线性系统时域响应分析一、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ζ和nω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、实验内容1.观察函数step( )的调用格式,假设系统的传递函数模型为243237()4641s s G s s s s s ++=++++绘制出系统的阶跃响应曲线?2.对典型二阶系统222()2n n n G s s s ωζωω=++1)分别绘出2(/)n rad s ω=,ζ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ζ对系统的影响,并计算ζ=0.25时的时域性能指标,,,,p r p s ss t t t e σ。
MATLAB在自动控制原理中的应用
程序运行结果为:
Transfer function: ←系统s1的传递函数模型
2 s^2 + 5 s + 1
------------------
s^2 + 2 s + 3
Zero/pole/gain: ←系统s2的零极点增益模型
5 (s+2)
-----------
(s+10)
Zero/pole/gain: ←系统s1、s2的反馈零极点增益模型
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
表 系统根轨迹绘制及零极点分析函数
函数名
功能
pzmap 绘制系统的零极点图
tzero 求系统的传输零点
rlocfind 计算给定根轨迹增益
rloccus 求系统根轨迹 damp 求系统极点的固有频率和阻尼系统
ploe
求系统的极点
dcgain 求系统的直流(稳态)增益
时域分析是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法,具有直观和准确的 优点。它是根据控制系统输入与输出之间的时域表达式,分析系统的稳定性、瞬 态过程和稳态误差。控制系统最常用的分析方法有两种:一是当输入信号为单位 阶跃时,求出系统的响应;二是当输入信号为单位冲激函数时,求出系统的响应。
1. 生成特定的激励信号的函数gensig( ) 格式:[u,t] = gensig(type,tau) 功能:按指定的类型type和周期tau生成特定类型的激励信号u。其中变元type可 取字符为:‘sin’(正弦)、‘square’(方波)、‘pulse’(脉冲)。
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
[例] 由连续系统:
H (s) 2s2 5s 1 s2 2s 3
自动控制原理Matlab仿真应用
控制系统的MATLAB 仿真1 MATLAB 简介MATLAB 是Mathworks 公司开发的一种集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的功能强大、操作简单的优秀工程计算应用软件。
MATLAB 不仅可以处理代数问题和数值分析问题,而且还具有强大的图形处理及仿真模拟等功能。
从而能够很好的帮助工程师及科学家解决实际的技术问题。
MATLAB 的含义是矩阵实验室(Matrix Laboratory ),最初主要用于方便矩阵的存取,其基本元素是无需定义维数的矩阵。
经过十几年的扩充和完善,现已发展成为包含大量实用工具箱(Toolbox )的综合应用软件,不仅成为线性代数课程的标准工具,而且适合具有不同专业研究方向及工程应用需求的用户使用。
MATLAB 最重要的特点是易于扩展。
它允许用户自行建立完成指定功能的扩展MATLAB 函数(称为M 文件),从而构成适合于其它领域的工具箱,大大扩展了MATLAB 的应用范围。
目前,MATLAB 已成为国际控制界最流行的软件,控制界很多学者将自己擅长的CAD 方法用MATLAB 加以实现,出现了大量的MATLAB 配套工具箱,如控制系统工具箱(control systems toolbox ),系统识别工具箱(system identification toolbox ),鲁棒控制工具箱(robust control toolbox ),信号处理工具箱(signal processing toolbox )以及仿真环境SIMULINK 等。
(1) MATLAB 的安装本节将讨论操作系统为Microsoft Windows 环境下安装MATLAB6的过程。
将MATLAB6的安装盘放入光驱,系统将自动运行auto-run.bat 文件,进行安装;也可以执行安装盘内的setup.exe 文件启动MATLAB 的安装程序。
启动安装程序后,屏幕将显示安装MATLAB 的初始界面,根据Windows 安装程序的常识,不断单击[Next],输入正确的安装信息,具体操作过程如下:输入正确的用户注册信息码;选择接收软件公司的协议;输入用户名和公司名;选择MATLAB 组件(Toolbox );选择软件安装路径和目录;单击[Next]按钮进入正式的安装界面。
自动控制原理matlab仿真实验实验严进宁
实验一系统的数学模型一、实验目的和任务1、学会使用 MATLAB的命令;2、掌握MATLAB有关传递函数求取及其零、极点计算的函数。
3、掌握用 MATLAB 求取系统的数学模型二、实验仪器、设备及材料1、计算机2、MATLAB软件三、实验原理1、MATLAB软件的使用2、使用MATLAB软件在计算机上求取系统的传递函数四、实验报告要求1、将各实验内容的要求写入实验报告。
2、写出要求的实验程序。
3、记录各命令运行后的结果五、实验内容例1-3、设置传递函数6(5)s( )G s ,时间延迟常数τ 42 3 1)2(s s方式1:set(G,'ioDelay',4) % 为系统的ioDelay 属性设定值G % 显示传递函数解:该传递函数模型可以通过下面的语句输入到MATLAB工作空间为:>> num=6*[1,5];den=conv([1,3,1],[1,3,1]);G=tf(num,den);set(G,'ioDelay',4)G运行结果为:Transfer function:6 s + 30exp(-4*s) * ------------------------------s^4 + 6 s^3 + 11 s^2 + 6 s + 16(5)s( )例 1-4 、已知传递函数G s 2 2 ,提取系统的分子和分母多项式(实验)( 3 1)s s解:提取系统的分子和分母多项式程序为:>> num=6*[1,5];den=conv([1,3,1],[1,3,1]);G=tf(num,den)[num den]=tfdata(G,'v')运行结果为:Transfer function:6 s + 30------------------------------s^4 + 6 s^3 + 11 s^2 + 6 s + 1num =0 0 0 6 30den =1 6 11 6 1例 1-5 例 1-5 某系统的零极点模型为:G(s) 6( s 1)( s2)( (ss225)2 j)( s 2 2 j)方法2:利用算子(实验)>>s=zpk('s')G=6*(s+5)^2/((s+1)*(s+2)*(s+2+2)*(s+2-2)) 运行结果为:Zero/pole/gain:6 (s+5)^2-------------------s (s+1) (s+2) (s+4)例 1-7 已知系统传递函数24 11s sG ,求零极点及增益,并绘制系统2 2( 6 3)( 2 )s s s s零极点分布图。
Matlab软件在自动控制原理教学中的应用
带干 髂 奄脚 设 置’ 撵雠 量 新 靛
1 引言 . 真工作平台 。用模块 组合的方法使用 户能够快速 、准确地 创建 《 自动 控制 原理 》 这 门课 程涉及 到控 制 系统 的模 型建 立 、 动态系统的计算机模型。Smui k模型可以用来模拟几乎所有 i l n 系统 分析 、系统设计 的基本理 论和相 关技 术 。其特 点是概 念 可遇到的动态 系统 ,如模拟线性或 非线性 、连续或离散或者两
的促 进 作 用 。
2 Mal 及其仿真模块 软件Smui . tb a i l n Malb语言是集数值计算 、符号运算和 图形处理 等强大功 t a 能干一体的科学计 算语言 , 适用于 工程应用领域 的分析 、设计 和复杂计算 , 而且易学易用, 不要求使用者具备高深的数学知识和 编程技巧 , 已成为大学教学和科研 中最常用的工具 , 现 掌握该工具
如果想把编辑好的 视频保存在自己的硬 盘 里 面 ,则 选 择 保 存 到 我 的 计 算 机 ;如果 想 刻成 C D保存下来 ,则 选择保存到 C D;如果 想通 过 电子邮件发 送 , 则选择通过 电子邮件发 送 ,但 是 对 文 件 的 大 小 是 有 限 制 的 , 不 能 超过 l ;如果想录 到 M 录像 带上 , 则选择发送 到D V摄像机上 。在保
图 1为一液 体储 槽液位控 制 系统 ,有液体的 流入和流 出 , 工艺上要求通过控 制流 人的流量 Ql 来控制 储槽液位 h, 通过机理 建模法得到该系统的数学模 型为 一阶微 分方 程 ,即 . d I 1 ~ d t… ~
.
…
将大 大 提高 课程 教 学 、解题 作业 、分 析研 究 的效 率 。 式 中, A——储槽截面积 S mu i k是一种用于 实现计算 机仿真的软 件工具 。它是 i ln R 一 流 出 阀 的阻 力 系 Malb的一个附加组件 ,用来提 供一个系统级的建模 与动态仿 数 。 t a
MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用
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图 1 单 位 负 反 馈 控 制 系统 特 性 曲线
1 教 学 现 状 及 改进 方 法 的 图解 方法 , 绘 制根 轨 迹 步 骤 较 多 , 但 需要 求 出 系 统 的零 、 点 和 分 极 《 自动控制原理》 课程 内容理论性强、 公式应用灵活、 前后联 系紧 离 点 。 系统 传 递 函数 的分 子 或 分 母 为 高 次 方程 时 , 用代 数法 求得 当 使 密 , 要应 用 大 量 的 物 理及 高等 数 学 相 关 知 识 。 与成 人 教 育 中 学 员 且 这 系统 的零 、 点和 分离 点 比较 困难 。 系 统 零 、 点 和 分 离 点 若 不 能确 极 极 学 习基 础 参 差 不 齐形 成 鲜 明 的矛 盾 。 仅通 过~ 张 黑 板 一 支 粉 笔 , 部 按 定 , 轨 迹 也 就 无 法 绘 制 。 MA L B 工具 可 以 很 方 便 绘 制 控 制 系 统 根 TA 就 班 传 统 教 学 方式 , 绝 大 多数 学 员 感 到 课 程 内容 抽 象 , 以理 解 。 使 难 的根 轨 迹 , 数 命 令 r c sg。 同 时 , 过 gi 选 项 可 得 到 等 函 l u () o 通 r d的 随着 计 算 机 多媒 体 技 术 在 教 学 中 的 应 用 ,教 学 软 件 在 一 定 程 度 上 丰 线族和等 c ^ 族 的根 轨迹 。 ) 线 富了教学手段 , 由于 自动控制原理 实例的复杂性 , 但 现有 的《 自动控 制原理》 计算机多媒体软件 , 并不能从根 本上解决本课程 的理论教学 与 工 程 实践 脱 节 的 问题 。 制 闭环 系统 的根 轨迹 。 MA L 丁 AB是 由 Mah ok tW rs公 司开 发 并 推 出 的 程 序 计 算 语 言 , 在 MA L B 中编 程 序 为 TA 它不仅集数值分析 、 阵运算 、 号处理和 图形显示于一体 , 矩 信 并且一 n m=[ 1 : u 1, 】 直 面 向控 制 理 论 和 控 制 工 程 为其 核 心应 用 领 域 。 目前 MA L 的应 T AB d =c n ( 4, 0】【 3) en o v【 1, 8, ,1, 】; 用 已从 经典 控 制 理 论 的应 用 发展 到 最 优 控 制 、 系统 辨 识 、 型 预 测 控 模 g= f u , e ) t( m d n ; n 制 、 棒 控 制 、 经 网 络控 制 、 鲁 神 模糊 控 制 等领 域 ” 】 。 r c sg l u () o 2M T A A L B在《 自动控制原理》 教学 中的应用 MA L B包含 了进行控 制系统 分析 与设计所 必须 的工具 箱函 TA 数 , 以分 析 连 续 系统 , 可 以 分析 离 散 系 统 , 可 以进 行 极 点 配 置 可 也 并 控 制器 设 计 和最 优 控 制 系统 设 计 等 多 项 操作 。现 以连 续 系统 中 的 时 域 分析 法 、 域 分 析 法 及 根 轨 迹 分析 法 为例 介 绍 。 频 21 时 域 分析 应 用 [ . 3 1时域 分 析 法 是 根 据 自动 控 制 系统 微 分 方 程 求解 系统 动 态 响应 的过 程 曲线 以及 响 应指 标 , 运用 解 析 法进 行 分 析 时 , 数 学 推 导 过 程 比较 复 杂 , 其 需要 进 行 大 量 的人 工 计 算 , 为课 作 堂 教 学 , 在 计 算 和 推 导 过程 中花 费过 多的 时 间 , 师 的教 学 容 易显 若 教 得 主 次 不 清 , 生 往 往 把 注 意 力集 中在 数 学 推 导 过 程 上 , 对 真 正 需 学 而 要 理 解 和 掌 握 的概 念 规 律 , 却被 忽 略 了。 图 2 某 单 位 负 反 馈 系 统 根 轨迹 图 如 : 单 位 负 反 馈 控 制 系统 该 系统 的 闭环 传 递 函 数 为 某 3 MA L B在 自动 控 制 原 理 中的 合 理 应 用 TA
matlab在自动控制原理中的应用毕业论文
建筑与技术学院MATLAB在自动控制原理中的应用毕业设计(论文)原件及使用授权说明原始语句我保证我提交的毕业设计(论文)是我在导师指导下所做的研究工作和成果。
据我所知,除文中特别标注和注明的地方外,不包含其他人或组织已发表的研究成果,也不包含我曾用来与其他教育机构取得学位或学历的材料。
对本研究有所帮助和贡献的个人或集体,都做出了明确的解释,并表达了对本文的兴趣。
作者签名:日期:讲师签名:日期:授权说明本人完全理解学校关于毕业设计(论文)收集、保存和使用的规定,即按照学校的要求提交毕业设计(论文)的印刷版和电子版;学校有权保留毕业设计(论文)的印刷版和电子版,并提供目录检索和阅读服务;学校可以采用影印、减印、数字化或其他复制手段保存论文;在不盈利的前提下,学校可以发表论文的部分或全部内容。
签名:日期:目录摘要3第1章绪论41.1研究目的41.2相关研究现状41.3研究方法41.4本次设计的主要容以与目前学术届近一步研究的趋势61. 4. 1本次设计的主要容61. 4. 2目前学术界近一步研究的趋势6第2章开发工具82.1 MATLAB编程语言发展历程与特点82.2 MATLAB系统构成92.3 MATLAB的GUI设计102.4本章小结11第3章控制系统性能指标与校正装置分类123.1控制系统的性能指标123. 2控制系统校正的分类143.3本章小结16第4章基于频率法的控制系统的校正设计174.1基于频率法的串联超前校正174.1.1 串联超前校正网络设计的算法步骤174.1.2超前校正装置的评价184.2基于频率法的串联滞后校正184.2.1串联滞后校正网络设计的算法步骤194. 2. 2滞后校正装置的评价194.3基于频率法的串联超前滞后校正194.3.1串联超前滞后校正网络设计的算法步骤204.3.2滞后超前校正装置的评价204. 4三种校正方法的效果对比214.5本章小结21第5章控制系统的仿真与校正对比分析225.1程序方式225. 1. 1控制系统校正前的性能指标225. 1. 2校正装置的设计过程与其性能指标的仿真285. 1. 3控制系统校正后的性能指标305.2Multisim电路设计仿真方式38第6章设计总结416. 1总结416. 2心得41附英文文献:43摘要本文将讨论如何根据用户对自动控制系统的要求来设计串级补偿器,这具有非常重要的现实意义。
Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用
Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用摘要:自动控制原理这门控制理论课程强调方法论,理论性强,如何帮助学生理解和掌握课程中的基本概念、原理和分析方法,并培养学生运用所学知识解决实际问题的能力,是当前课堂教学所要解决的重要问题。
通过讨论Matlab数字仿真在系统时域分析、根轨迹分析中的应用,提出一种在课堂中引入虚拟实验的新型教学方法,增强教学内容的直观性,激发学生的学习兴趣,从而提高课堂教学质量和效率。
关键词:Matlab数字仿真;时域分析;根轨迹法;课堂教学自动控制原理是自动化与电气信息类专业的一门重要的专业基础课程,在整个专业知识体系中有承上启下的作用,占据非常重要的地位。
该课程内容涉及控制系统的模型建立、系统性能分析、系统设计等基本理论与方法,所讨论的基本问题是在工程实践的基础上提升和抽象出来的内容,具有理论性强、信息量大、概念抽象、数学推导多等特点,学生往往因为缺乏工程实践知识和对实际控制系统的感性认识,感到学习内容抽象,难以理解。
通过将自动控制系统Matlab 数字仿真应用于自动控制原理的多媒体课堂教学当中,在课堂教学中引入控制工程实例,可以增强课堂教学的直观性和生动性,帮助学生理解和掌握抽象的理论知识,从而提高教学效率。
本文通过实例探讨Matlab仿真技术在时域分析、根轨迹分析和系统设计与校正等教学中的应用。
1基于Matlab/Simulink的时域分析法自动控制原理讲述了常规的3大系统分析方法,包括时域分析、根轨迹分析和频域分析,其中时域分析中的数学模型是微分方程,复数域分析中的数学模型是传递函数,频域分析中的数学模型是频率特性。
在时域分析法中,闭环系统稳定性的判定是学习重点,线性系统稳定的充要条件是:特征方程的所有特征根均具有负实部[1]。
判定系统稳定性一般采用劳斯判据,对于高阶系统,计算过程繁琐而且复杂,但是运用Matlab来判断稳定性不仅减少计算量,而且能够准确获得所有特征根[2]。
自动控制原理 第五章 控制系统的频域分析法
则
uos (t) = A ⋅ A(ω)sin[ω t + ϕ(ω)]
(5.2)
结论:
(1) 稳态解与输入信号为同一频率的正弦量;
(2) 当ω 从 0 向∞变化时,其幅值之比 A(ω) 和相位差ϕ(ω) 也将随之变化,其变化规
律由系统的固有参数 RC 决定; (3) 系统稳态解的幅值之比 A(ω) 是ω 的函数,其比值为
三角函数形式: G( jω) = A(ω)[cosϕ(ω) + jsinϕ(ω)] 。
式中 A(ω) = G( jω) 是幅值比,为ω 的函数,称为幅频特性;
ϕ(ω) = ∠G( jω) 是相位差,为ω 的函数,称为相频特性; U (ω) 是 G( jω) 的实部,为ω 的函数,称为实频特性; V (ω) 是 G( jω) 的虚部,为ω 的函数,称为虚频特性。
s + p1 s + p2
s + pn s + jω s − jω
∑n
=
Ci
+
B
+
D
i=1 s + pi s + jω s − jω
(5.4)
式中 Ci , B , D 均为待定系数。
将(5.4)式进行拉氏反变换,得系统的输出响应为
n
∑ c(t) = Cie− pi t + (Be− jω t + Dejω t ) = ct (t) + cs (t) i =1
C( jω) = G( jω)R( jω)
因而,得
G( jω) = C( jω) R( jω)
(5.11)
事实上,当ω 从 0 向∞变化时, G( jω) 将对不同的ω 作出反映,这种反映是由系统自
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第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
LTI模型的转换 模型的转换
• • • • • • [f1,g1]=tfdata(s1) f1{1},g1{1} % f1{:}, g1{:} [z1,p1,k1,T1s]=zpkdata(s1) z1{1},p1{1} [a2,b2,c2,d2,Ts2,InputDelay]=ssdata(s2)
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
[例] 生成离散系统的零极点模型。MATLAB源程序为: 例 生成离散系统的零极点模型。 z={[] ,-0.5}; %单元阵列p82 p={0.3,[0.1+2i,0.1-2i]}; k=[2,3]; s6=zpk(z,p,k,-1) 运行结果为: 运行结果为: Zero/pole/gain from input 1 to output: ←从第 输入端口至输出的零极点增益 从第1输入端口至输出的零极点增益 从第
x
p
=
∑
i
x
p i
p
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
8.1 控制系统模型
在MATLAB的Control System Toolbox(控制系统工具箱)中提供了许多仿真函数 与模块,用于对控制系统的仿真和分析。
控制系统的描述与LTI LTI对象 8.1.1 控制系统的描述与LTI对象
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
第8章 MATLAB在自动控制原理的应用 章 在自动控制原理的应用
8.1 控制系统模型 8.2 控制系统的时域分析 8.3 控制系统的根轨迹 8.4 控制系统的频域分析 8.5 系统的状态空间分析函数 8.6 极点配置和观测器设置 8.7 最优控制系统设计
StateName 状态变量名
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
8.1.2 LTI模型的建立及转换函数
在MATLAB的控制系统工具箱中,各种LTI对象模型的生成和模型间的转换都可以 通过一个相应函数来实现。 表8.3 生成LTI模型的函数 函数名称及基本格式 dss(a, b, c, d, …) filt(num, den, …) ss(a, b, c, d, …) tf(num, den, …) zpk(z, p, k, …) 功 能 生成(或将其它模型转换为)描述状态空间模型 生成(或将其它模型转换为)DSP形式的离散传递函数 生成(或将其它模型转换为)状态空间模型 生成(或将其它模型转换为)传递函数模型 生成(或将其它模型转换为)零极点增益模型
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
• • • •
get(s1) get(s5) s5.a %结构阵列 p82 set(s1,'num',[0,1,2,3,4],'den',[2,4,6,8,10]) get(s1) s1.num s1.num{:} s6.p s6.p{2} s6.p{2}=[0.5;0.7]
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
5.1.4 典型系统的生成
3.离散时间N阶稳定随机系统生成函数 .离散时间 阶稳定随机系统生成函数 阶稳定随机系统生成函数drss( )和drmodel( ) 和 drss和drmodel函数的用法与rss和rmodel函数的用法相仿,不同点仅仅在于它生 成的是离散系统。 4.二阶系统生成函数ord2 .二阶系统生成函数 格式: 格式:[A,B,C,D] = ord2(Wn, Z) 功能:生成固有频率为Wn,阻尼系数为Z的连 续二阶的状态空间模型系统。 格式: 格式:[NUM,DEN] = ord2 (Wn,Z)
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
属性说明:(1)当系统为离散系统时,给出了系统的采样周期Ts。Ts=0或缺省时 属性说明 表示系统为连续时间系统;Ts=-1表示系统是离散系统,但它的采样周期未定。 (2) 输入时延Td仅对连续时间系统有效,其值为由每个输入通道的输入时延 组成的时延数组,缺省表示无输入时延。(高版本改为:InputDelay) (3)输入变量名InputName和输出变量名OutputName允许用户定义系统输入输 出的名称,其值为一字符串单元数组,分别与输入输出有相同的维数,可缺省。 (4)Notes和用户数据Userdata用以存储模型的其它信息,常用于给出描述模型 的文本信息,也可以包含用户需要的任意其它数据,可缺省。
2 ------(z-0.3)
Zero/pole/gain from input 2 to output: ←从第 输入端口至输出的零极点增益 从第2输入端口至输出的零极点增益 从第
3 (z+0.5) ------------------(z^2 - 0.2z + 4.01) Sampling time: unspecified
[NUM,DEN]=rmodel (N) generates an Nth order SISO transfer function model. [NUM,DEN]=rmodel (N,P) generates an Nth order single input, P output transfer function model. [A,B,C,D]=rmodel (N) generates an Nth order SISO state space model. [A,B,C,D]=rmodel (N,P,M) generates an Nth order, P output, M input,state space model.
returns the polynomial transfer function of the second order system. 例如:[num,den] = ord2(2.4,0.4)
5.系统时间延迟的Pade近似函数 .系统时间延迟的 近似函数pade( ) 近似函数 格式: 格式:sysx = pade(sys,N) 功能:对连续系统sys产生N阶Pade近似的延时后,生成新的系统sysx。
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
对象名称 tf对象 对象 (传递函数 传递函数) 传递函数 属性名称 den num variable k zpk对象 对象 (零极点增 零极点增 益) p variable z a b ss对象 对象 (状态空间 状态空间) 状态空间 c d e 意 义 传递函数分母系数 传递函数分子系数 传递函数变量 增益 极点 零极点增益模型变量 零点 系数矩阵 系数矩阵 系数矩阵 系数矩阵 系数矩阵 属性值的变量类型 由行数组组成的单元阵列 由行数组组成的单元阵列 s、z、p、k、z-1中之一 二维矩阵 由行数组组成的单元阵列 s、z、p、k、z-1中之一 由行数组组成的单元阵列 二维矩阵 二维矩阵 二维矩阵 二维矩阵 二维矩阵 字符串单元向量
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
• s1=tf([3,4,5],[1,3,5,7,9]) • s2=tf([3,4,5],[1,3,5,7,9],0.1,'InputName','电 流','OutputName','转速') • s3=tf([4,5],[1,5,7,9],'InputDelay',0.1,'Input Name','u','OutputName','y') • s4=filt([3,4,5],[1,3,5,7,9],0.1) • s5=ss(s1)
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
表8.5 模型检测函数 函数名及 调用格式 isct(sys) isdt(sys) isempty(sys) isproper issiso(sys) size(sys) 功 能
判断LTI对象sys是否为连续时间系统。若是,返回1;否则 返回0 判断LTI对象sys是否为离散时间系统。若是,返回1;否则 返回0 判断LTI对象sys是否为空。若是,返回1;否则返回0 判断LTI对象sys是否为特定类型对象。若是,返回1;否则 返回0 判断LTI对象sys是否为SISO系统。若是,返回1;否则返回 0 返回系统sys的维数
第 5 章 MATLAB在自动控制原1.3 LTI对象属性的设置与转换
1.LTI对象属性的获取与设置 . 对象属性的获取与设置 表8.4 对象属性的获取和修改函数 函数名称及基本格式 get(sys, ‘PropertyName’, 数值 …) 数值, set(sys, ‘PropertyName’, 数值 …) 数值, ssdata, dssdata(sys) tfdata(sys) zpkdata(sys) class 功 能 获得LTI对象的属性 设置和修改LTI对象的属性 获得变换后的状态空间模型参数 获得变换后的传递函数模型参数 获得变换后的零极点增益模型参数 模型类型的检测
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
模型类型的检验
class(s1) isa(s1,'tf') isct(s1) isdt(s1) issiso(s1) size(s1)
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
5.1.4 典型系统的生成
1.随机生成N阶稳定的连续状态空间模型函数 .随机生成 阶稳定的连续状态空间模型函数 阶稳定的连续状态空间模型函数rss( ) 格式: 格式:sys = rss(N,P,M) 功能:随机生成N阶稳定的连续状态空间模型,该系统具有M个输入,P个输出。 缺省是P=M=1,即sys=rss(N)。例如rss(1,3,2) 2. 随机生成 阶稳定的连续线性模型系数函数 随机生成N阶稳定的连续线性模型系数函数 阶稳定的连续线性模型系数函数rmodel( ) 格式: 格式:[num,den]=rmodel(N,P) 功能:生成一个N阶连续的传递函数模型系统,该系统具有单输入,P个输出。