自动控制实验讲义_

自动控制原理实验讲义

郭烜

内蒙古民族大学物理与电子信息学院

信息与自动化技术教研室

2018年8月

目录

绪论

第一章自动控制原理实验

实验一 MATLAB软件和THDAQ虚拟实验设备的使用

实验二控制系统的单位阶跃响应

实验三高阶系统的时域动态性能和稳定性研究

实验四线性系统的根轨迹

实验五线性系统的频域分析

实验六线性系统校正与PID控制器设计

第二章自动控制原理模拟实验环境简介

第一节 MATLAB软件系统与Simulink仿真工具

第二节 CZ-AC型自动控制原理实验箱与THDAQ虚拟实验设备

绪论

《自动控制原理》是电子信息专业的专业基础课程，自动控制原理实验课程是一门理论验证型实验课程，结合自动控制理论课开设了一系列相应的实验，使学生理论与实践结合，更好的掌握控制理论。通过实验，学生可以了解典型环节的特性，模拟方法及控制系统分析与校正方法，掌握离散控制系统组成原理，调试方法；使学生加深对控制理论的理解和认识，同时有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，拓宽学生的专业面和知识面，为以后的深入学习与工作打下良好的扎实的基础。

第一章自动控制原理实验

实验一MATLAB软件与THDAQ虚拟实验设备的使用

一、实验目的

1. 学习MATLAB软件、动态仿真环境Simulink以及THDAQ虚拟实验设备的正确使用方法。

2. 掌握建立控制系统数学模型的初步方法。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、CZ-AC型自动控制原理实验箱、THDAQ虚拟实验设备、万用表

三、实验内容及原理

1. MA TLAB基本运算

见第二章1.4节： MA TLAB基本运算

2. 用MATLAB建立控制系统数学模型

控制系统常用的三种数学模型：

<1>传递函数模型(多项式模型>

用函数tf(>建立控制系统传递函数模型：

命令调用格式：sys=tf(num, den> 或 printsys(num, den>

也可以用多项式乘法函数conv(>输入num/den

如：，

num=5*conv(conv([1,2],[1,2]>,[1,6,7]>

<2>零极点模型

调用格式：z=[z1,z2,…,z m]。 p=[p1,p2,…,p n]。 k=[k]。 sys=zpk(z, p, k>

<3>部分分式展开式模型

调用格式：[r, p, k]=residue(num, den>

3. 用Simulink建立系统模型

点击MATLAB命令窗口菜单“File”下“New”子菜单下“Model”命令打开扩展名为“.mdl”的模型文件，或在MATLAB命令窗口输入命令“simulink”，选定模块拖到模型设计窗口，单击模块的输入或输出端，当光标变成十字时，拖到目标模块的输出或输入端口，当光标变成双十字时，松开鼠标，形成连接信号线。

4. 用CZ-AC型实验箱构建典型环节的模拟电路

比例环节：，图中：K P= R f/R i

积分环节：；图中: T i=R i C f

比例微分环节：；图中：

四、实验步骤

1. 启动Matlab软件，熟悉系统界面、菜单和命令窗口。

2. 在命令窗口执行命令：

计算：<1>a=0.2, x=o.3, : y=1/(a*log(1-x-a>+2*a>

<2>t=3, : f=2*log(t>*exp(t>*sqr(pi>

<3>矩阵输入，并转置A=B’。

<4>最小二乘法曲线三阶拟合：

x=[1 2 3 4 5]；y=[5.5 43.1 128 290.7 498.4]；p=ployfit(x,y,3>

3. 启动Simulink及其模型库，建立系统模型。

4. 用CZ-AC型实验箱连接一下典型环节，并在THDAQ-VILAB中观察其阶跃响应。

<1>比例环节：求取R i=1M，R f=510K(K P=0.5>；R i=1M，R f=1M(K P=1> 时的阶跃响应。

<2>积分环节：分别求取R i=1M，C f=1μ(T i=1 秒>；R i=1M，C f=4.7μ(T i=4.7 秒>时的阶跃响应曲线。

<3>比例微分环节：分别求取(R i=R f=R1=R2=1M，C=2μ(K P=2, T d=3.0 秒>；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C=4.7μ(K P=1，T d=7.05 秒>时的阶跃响应曲线。

五、思考与实验报告要求

1．思考：一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件下可视为比例环节？

2．原始数据记录应包括输入程序和运行结果数据及图形，每一小步骤仅记录一种情况即可。

实验二控制系统的单位阶跃响应

一、实验目的

1. 理解并进一步掌握系统建模技巧、环节的串并联、反馈环节的引入、闭环极点的求取等内容。

2. 研究典型环节和二阶系统的阶跃响应，观察阻尼比和自振角频率对系统性能的影响。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件、CZ-AC型自动控制原理实验箱、THDAQ虚拟实验设备、万用表

三、实验内容

1．系统模型操作命令

多项式模型：sys=tf(num, den>。 printsys(num, den>

零极点模型：sys=zpk(z,p,k>

模型转换命令：[num, den]=zp2tf(z,p,k>。 [z,p,k]=tf2zp(num,den>。 [r,p,k]=residue(num,den>

[num,den]=residue(r,p,k>

串联命令：[num,den]=series(num1,den1,num2,den2>。 sys=series(sys1,sys2>

或：s=tf(‘s’>。 G1=5/(s+1>。 G2=(2*s+1>/s。 G3=4/(3*s+1>。 G=G1*G2*G3

并联命令：[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2>

反馈连接命令：sys=feedback(sys1, sys2, sign>。 %sys2为H(s>, 负反馈时sign=-1或缺省

[numc, denc]=cloop(num,den,sign>。 %单位反馈

用Mason公式求闭环传递函数：syms s, G1, G2, phi。 %建立符号对象

G1=1/(s+1>。 G2=5/(s+2>。 %写出G1, G2的传递函数

phi=factor(((G1+1>*G2>/(1+2*G1+G1*G2>。 %用Mason公式计算传递函数并因式分解

2．求取特征根和单位阶跃响应

求特征根：roots(den>或eig(sys>或damp(den>

单位阶跃响应：step(sys>或step(sys,t>或step(num,den>

动态性能指标读取：鼠标在曲线上单击相应点，可读取坐标值；在曲线图空白区域单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“Character”，可显示动态指标；快捷菜单中选择“Properties”，则显示属性对话窗口，可在其中修改参数。

3．SIMULINK子模块的封装