计算机控制系统实验指导书于

测测控技控技术术与与仪仪器器专业专业 计计算机控制算机控制系系统统 课课程程实实验验指指导书导书自动控制工自动控制工程系程系沈阳工程学沈阳工程学院院目目 录录实验一 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实实验验一一 基基于于 MATLAB 的的典典型型环环节节模模拟拟实实验验一、实验目的一、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)(21sGsG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)(21ssGssG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：sssGsssG11)(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=1den1=1step(num1,den1)hold on num2=2step(num2,den1) den3=1,0step(num1,den3) den4=0.5 0step(num1,den4) 测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书5num5,den5=parallel(num2,den1,num1,den4)step(num5,den5) num6,den6=parallel(num1,den1,num1,den3)step(num6,den6) den7=1 1step(num1,den7) den8=0.4 1step(num2,den8) num9=2,0num10,den10=parallel(num2,den1,num1,den4,num9,den1)step(num10,den10) num11=1 0num12,den12=parallel(num1,den1,num2,den1,num10,den1)step(num12,den12)四、实验思考题四、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、实验报告要五、实验报告要求求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实实验验二二 基基于于 matlab 控控制制系系统统瞬瞬态态响响应应和和稳稳定定性性分分析析一、一、实验目的实验目的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、二、实验原理实验原理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、三、实验内容实验内容1. 通过函数 Setp，求取传递函数增益 K 在10、5、2、1 时的四条响应曲线，并从响应曲线上KGs)0.5s(0.2s 1)（求得超调量 MP、峰值时间 tP 和调节时间 tSfigure(1)num1=20den1=0.1 0.5 20roots(den1)step(num1,den1) figure(2)num2=10den2=0.1 0.5 10roots(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=0.1 0.5 5roots(den3)step(num3,den3) figure(4)num4=1den4=0.1 0.5 1roots(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 -13.9194i K=10 时系统稳定-2.5000 + 9.6825i -2.5000 - 9.6825i K=5 时系统稳定 -2.5000 + 6.6144i -2.5000 - 6.6144i K=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、实验报告要四、实验报告要求求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实实验验三三 基基于于 MATLAB 控控制制系系统统频频率率响响应应分分析析一、一、实验目的实验目的 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、二、实验原理实验原理 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 命命令令功能：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 命令命令功能：绘制尼科尔斯图。 格式：M,P=nichols(num,den) margin 命令命令功能：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、三、实验内容实验内容1. 试绘制一单位反馈系统的开环传递函数为，)02. 01)(2 . 01 ()(sssKsGK=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=10den=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、实验报告要四、实验报告要求求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实实验验四四 基基于于 MATLAB 分分析析采采样样周周期期 T对对控控制制系系统统的的影影响响一、一、实验目的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、二、实验原理实验原理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、三、实验内容实验内容测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书132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；Den：传递函数分母多项式系数；N：采样点数；四、实验报告要四、实验报告要求求测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书141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？实实验验五五 直直流流电电机机 PID 控控制制一、实验目的一、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。测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书15直流电机的模型参数如下：转动惯量(J) = 0.01 kg.m2/s2机械阻尼(b) = 0.1 Nms电磁力常数(K) = 0.01 Nm/Amp电阻(R) = 1 ohm电感(L) = 0.5 H输入电压(V)输出转轴位置( )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：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%。测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书16三、实验设备三、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、实验报告要五、实验报告要求求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。实实验验六六 水水箱箱液液面面控控制制实实验验一、实验目的一、实验目的综合运用所学控制知识设计控制器，对单容水箱液面高度进行控制，达到快速调整水箱液面高度的目的。测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书17二、实验内容二、实验内容单容水箱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。在对单容水箱进行建模分析前，先来看下图所示的单容水箱的情况。PID 控制算法应用于液位控制系统，模型如图3所示。三、实验设备三、实验设备1. 计算机1 台2. DRLink 计算机控制平台1 套测控技术与仪器专业 计算机控制系统实验指导书18四、实验步骤四、实验步骤1. 检查单容水箱控制实验台和单容水箱实验挂箱以及计算机之间的信号连接线是否正确。2. 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。3. 在DRLink 软件平台中打开“单容水箱PID 液位控制实验”，建立实验环境，设定PID 控制器的参数，观察不同参数时水箱液面高度变化情况。五、实验报告要五、实验报告要求求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. 按实验步骤附上各个调整参数下的相应的信号波形曲线，总结实验得出的主要结论。