自动控制原理与系统

自动控制原理与系统实验指导书

云南机电职业技术学院

电气工程系课程组

2006.03

目录

前言

上篇 《自动控制原理与系统》虚拟实验室

概述 (1)

第一章《自动控制原理》虚拟教室的分析工具箱 (3)

1-1 《自动控制原理时域分析工具箱》 (3)

1-2 《自动控制原理频域分析工具箱》 (10)

第二章 《自动控制原理》虚拟教室的设计工具箱 (20)

2-1 设计指标 (20)

2-2 校正补偿器的控制系统结构 (21)

2-3 设计基本原则 (21)

2-4 控制系统设计工具箱 (22)

实例一：飞机飞行姿态的控制（时域设计） (22)

实例二 ：直流电机的控制 (28)

第三章 虚拟实验室 (37)

实验1 二阶系统时域特性的研究 (37)

实验2 零极点对系统动态性能的影响 (44)

实验3 频率特性的认识实验 (46)

实验4 二阶系统频率特性的研究 (48)

实验5 自动控制的频率响应 (52)

下篇交直流调速系统

第四章 调速系统实验 (54)

实验1 调速系统实验对象的认识 (54)

实验2 带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统 (57)

实验3 双闭环不可逆调速系统 (60)

实验4 变频器端子功能和键盘面板介绍 (62)

实验5 变频器V/F线绘制 (67)

实验6 变频器频率设定命令功能及操作方法功能 (69)

实验7 与变频器工作频率有关的功能及频率给定线预置 (71)

实验8 变频器程序运行模式 (73)

上篇 《自动控制原理与系统》虚拟实验室

概 述

多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础，使人们拥有自己实验室的幻想与愿望可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面而得以“实现”。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特征，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。

本系统是根据《自动控制原理》的实验，以MATLAB为操作平台，精选部分实验内容，并针对实践教学过程中学生不易理解的部分理论问题，进行精心编排和设计的。其内容覆盖了控制理论经典部分的全部内容。

本系统共分二个部分：

♦虚拟教室

♦虚拟实验室

《自动控制原理》虚拟实验室包括一个MATLAB自带的单输入单输出设计工具（SISO Design Tool）以及自编的众多M文件和GUI文件。它们有机的组合在一起，可用于《自动控制原理》的教学演示及实验教学，并免去了编写MATLAB源代码的编程问题。从而使教学和实验变的简单易行。

《自动控制原理》虚拟实验室在MATLAB运行情况下，通过在其命令窗口键入Control Systems来启动。进入MATLAB主界面（图1所示）后，在其命

图1 MATLAB主界面

令窗口（Command Wind）中键入Control Systems命令并按回车确定，将会出现《自动控制原理》虚拟实验室的主界面，如图2所示。

图2《自动控制原理》虚拟实验室的主界面

选择其界面中相应的“虚拟教室”或者“虚拟实验室”，即可进入到相应的教学演示或

实验教学内容中去。

第一章 《自动控制原理》虚拟教室的分析工具箱

在《自动控制原理》虚拟实验室的主界面（图2）中，选择“虚拟教室”，将出现一个工具箱选项，如下图所示。点击相应的按钮，即可激活这个系统

中所需的工具箱资源。在这个工具箱资源中，主要包括时域及频域两部分的理论学习与分析仿真，它们是：

♦ 自动控制原理时域分析工具箱

♦ 自动控制原理频域分析工具箱

♦ 大型作业：控制系统设计工具箱

图 《自动控制原理》虚拟教室的工具箱选项

1-1 《自动控制原理时域分析工具箱》

《自动控制原理时域分析工具箱》可以让用户执行下列任务：

♦ 输入多项式形式的传递函数

♦ 计算闭环系统下的阶跃响应及脉冲响应

♦ 通过闭环系统极点在复数平面上的分布情况，分析和判断系统的稳定性

♦ 了解增加零点和极点对闭环系统的影响

♦ 比较高阶传递函数及其低阶近似的传递函数

为了能更好地演示如何使用《自动控制原理时域分析工具箱》，我们将举

例说明。

一、《自动控制原理时域分析工具箱》的启动与模型输入 设某位置控制系统具的以下的传递函数：

)

2.361(4500)(+=S S K S G P

其中：K 为该系统的开环比例系数

因为K 是系统可以调节的开环比例系数，所以在我们输入系统模型时，首先要对该系统做出适于使用SISO Design Tool 设计工具的修改。即将K 视为与)(S C 串联的补偿控制器。其组成框图如1-1-1所示：

图1-1-1 某位置控制系统的框图

其中：)(S C K

=为该系统的补偿控制器

)(S C 为该系统剩余的传递函数，有：

4500()(361.2)G S S S =+ 1-1-1 接下来，我们在工具箱选项菜单中，选择《自动控制原理》时域分析工具箱。选择后，计算机屏幕上将出现如图1-1-2所示的画面。

图1-1-2 《自动控制原理》时域分析工具箱

为了定义该系统的传递函数，在如图1-1-2所示的画面中点击“输入系统模型”下面的“传递函数的多项式”，此时将出现如图1-1-3所示的图形画面。值得注意的是，在该工具箱中，用户只能使用多项式的方法输入系统的传递函数。因此，式1-1-1应首先改写成：

S

S S G 2.3614500)(2+= 1-1-2 然后再在如图1-1-3所示的图形画面中，点击框图中的G(S)和H(S)，分别输入系统传递函数、反馈传递函数分子和分母的多项式系数。注意：各系数之间应用空格隔开，否则计算机将无法识别这些多项式的系数。

当所输入的系数正确无误后，点击“应用”按钮，以完成系统模型的建立并退出此窗口。

图1-1-3 输入系统传递函数、反馈传递函数的分子和分母的多项式系数