《控制系统CAD》实验指导书

《控制系统CAD及仿真》实验指导书

自动化学院

自动化系

实验一SIMULINK 基础与应用

一、

实验目的

1、熟悉并掌握Simulink 系统的界面、菜单、工具栏按钮的操作方法；

2、掌握查找Simulink 系统功能模块的分类及其用途，熟悉Simulink 系统功能模块的操作方法；

3、掌握Simulink 常用模块的内部参数设置与修改的操作方法；

4、掌握建立子系统和封装子系统的方法。 二、

实验内容：

1. 单位负反馈系统的开环传递函数为：

1000

()(0.11)(0.0011)

G s s s s =

++

应用Simulink 仿真系统的阶跃响应曲线。 2．PID 控制器在工程应用中的数学模型为：

1

()(1)()d p i d T s U s K E s T s T s N

=+

+ 其中采用了一阶环节来近似纯微分动作，为保证有良好的微分近似效果，一般选10N ≥。试建立PID 控制器的Simulink 模型并建立子系统。 三、

预习要求：

利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。

实验二 控制系统分析

一、 实验目的

1、掌握如何使用Matlab 进行系统的时域分析

2、掌握如何使用Matlab 进行系统的频域分析

3、掌握如何使用Matlab 进行系统的根轨迹分析

4、掌握如何使用Matlab 进行系统的稳定性分析

5、掌握如何使用Matlab 进行系统的能观测性、能控性分析 二、 实验内容： 1、时域分析

（1）根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并在图上读标注出峰值，求出系统

的性能指标。

8

106)

65(5)(2

32+++++=s s s s s s G （2）已知两个线性定常连续系统的传递函数分别为1G (s)和2G (s)，绘制它们的单位脉冲响

应曲线。

4

5104

2)(2

321+++++=s s s s s s G ， 27223)(22+++=s s s s G （3）已知线性定常系统的状态空间模型和初始条件，绘制其零输入响应曲线。

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎢⎣

⎡∙∙212107814.07814.05572.0x x x x []⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=214493

.69691.1x x y ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=01)0(x 2、频域分析 设线性定常连续系统的传递函数分别为1G (s)、2G (s)和3G (s)，将它们的Bode

图绘制在一张图中。

151)(1+=

s s G ，4

53.0)(22++=s s s G ，16.0)(3

+=s s G 3、根轨迹分析 根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定

的K 值范围。 )

2)(1()()(++=

s s s K

s H s G

4、系统稳定性分析

（1）代数法稳定性判据：（用求分母多项式的根和routh 函数两种方法）

已知系统的开环传递函数为：(2)

()100(1)(20)

s G s s s s +=++试对系统闭环判别其稳定性

（2）根轨迹法判断系统稳定性：

已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：2

(3)

()(5)(6)(22)

s G s k

s s s s s +=++++ 试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置， 并判断在该点系统闭环的稳定性。 （3）Bode 图法判断系统稳定性：

已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：

123232

2.7 2.7

();()5454G s G s s s s s s s

=

=+++- 用Bode 图法判断系统闭环的稳定性。 5、系统能控性、能观性分析

已知连续系统的传递函数模型，

32

()102718

s G s s s s α

+=

+++ 当α分别取－1，0，＋1时，判别系统的能控性与能观性 三、预习要求：

利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。

实验三 基于BODE 图法的控制系统设计

一、

实验目的

1、BODE 图法串联超前校正器设计 ；

2、BODE 图法串联滞后校正器设计 ；

3、BODE 图法反馈校正器设计 ； 二、

实验内容：

1、已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为：

0100

()(0.11)(0.011)

=

++G s s s s

设计超前校正装置，使校正后系统满足：

1v K 100s -= ，1c 50s -ω=，%30%σ≤

2、已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为：

0100

()(0.11)(0.011)

=

++G s s s s

设计超前校正装置，使校正后系统满足：

1v K 100s -= ，1c 5s -ω≥，%40%σ≤

3、已知控制系统方框图如图3-1所示。图中：

11G (s)K 200== ，210

()(0.11)(0.011)

=

++G s s s ，30.1()=G s s

若要求校正后系统在单位斜坡输入作用下的稳态误差ss 1

e 200

= ，相角裕度c ()45γω≥o ，试确定反馈校正装置c G (s) 的形式与参数。

图3-1

三、预习要求：利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。