发布时间 : 星期四 文章自动控制理论实验指导书 - 图文更新完毕开始阅读
目 录
绪 论-----------------------------------------------------------------------------------1 第一部分
第一章 控制系统动态特性的时域及频域测试--------------------------3 第二章 控制系统的电子模拟实验----------------------------------------10 第三章 随动系统-------------------------------------------------------------19 第四章 模拟实验-------------------------------------------------------------34
实验一 典型环节的模拟----------------------------------------------34 实验二 控制系统的瞬态响应极其稳定性分析-------------------37 实验三 频率特性测量-------------------------------------------------40 实验四 随动系统-------------------------------------------------------43 实验五 线性系统串联校正的模拟研究----------------------------47 实验六 典型非线性环节的模拟-------------------------------------50 实验七 非线性系统的相平面分析----------------------------------51
第二部分
第一章 MATLAB快速入门------------------------------------------------54 第二章 控制系统工具箱函数----------------------------------------------69 第三章 数字仿真实验-------------------------------------------------------76
实验八 控制系统的模型转换--------------------------------------- 76 实验九 控制系统的时域分析----------------------------------------77 实验十 控制系统的频域分析----------------------------------------78 实验十一 控制系统的根轨迹分析-------------------------------------80
实验十二 控制系统的极点配置----------------------------------------81 附录一 YB4328D示波器---------------------------------------------------------------- 82 附录二 YB1600H数字函数波形发生器--------------------------------------------87
绪 论
随着现代科学技术的迅速发展，自动控制技术在许多工程领域（如电力工程、机械工程、化工工程、生物医学工程、航空航天以及交通运输等）有着广泛的应用。随着对自动控制系统性能要求不断提高，控制系统的结构也愈趋复杂，为了处理新的问题，需要新的分析方法。以频率法或根轨迹法为基础处理单输入单输出系统的问题，称为经典控制理论。随着科学技术的发展，为了适应各种更广泛、更复杂的控制要求，例如多输入多输出系统、时变系统等等，一种以状态空间为基础的现代控制理论迅速发展起来。应用现代控制理论，设计者可以按照所要求的各种性能指标，设计最优化的系统，即选用最合适的控制规律。
控制理论要处理的问题很多，这里只介绍最基本的三类问题：
第一类是研究系统的稳定性。所谓稳定性，就是在受到扰动作用后，系统的被控制量虽然偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离，经过一段时间后，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。一个稳定的系统，当其内部参数稍有变化或者初始条件改变时，仍能正常地进行工作。考虑到系统在工作过程中的环境和参数的变化，因此在设计实际系统时不仅要求能稳定，还要求留有一定的稳定裕量。
第二类是研究系统的准确度(或称稳态精度)。系统的准确度是指在调整过程结束后，输出量与参考输入量之间的偏差。这种偏差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。通常用阶跃、斜坡或抛物线输入系统后的稳态误差来评定。
第三类是研究系统的动态性能指标。系统的动态性能指标有时域性能指标和频域性能指标两类。
根据被控对象的不同，各种系统对上述三方面性能要求的侧重点也有所不同。例如随动系统对响应速度和稳态精度的要求较高，而恒值控制系统一般侧重于稳定性能和抗扰动的能力。在同一个系统中，三方面的性能要求又通常是相互制约的。
随着对自动控制系统性能要求不断提高，控制系统的结构也愈趋复杂，为了处理新的问题，需要新的分析方法。以频率法或根轨迹法为基础处理单输入单输出系统的问题，称为经典控制理
论。随着科学技术的发展，为了适应各种更广泛、 图0-1控制系统设计流程图 更复杂的控制要求，例如多输入多输出系统、时变系统等等，一种以状态空间为基础的现代控制理论迅速发展起来。应用现代控制理论，设计者可以按照所
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要求的各种性能指标，设计最优化的系统，即选用最合适的控制规律。
设计一个控制系统，可用图0-1的流程图来表示。当然，在具体的设计过程中，图中的七个步骤不是截然分开的，各个方框之间要经过多次反复实验，使它们之间交叉联成一个整体。在设计和分析控制系统时，既要强调理论基础，又要重视实验技术。控制理论实验的主要任务是流程图中的中间三个步骤，即从进行性能分析到仿真实验。
实验研究的方法有两种：一种是在真实系统(称原型)上进行，另一种是在模型上进行。对于比较简单的被控对象，可以在实际系统上进行试验和调整，以获得较好的性能指标。但是在生产过程中，大部分的被控对象是比较复杂的，如火箭发射、反应堆控制、轧钢机调速系统、电力系统等等，考虑到安全性、经济性以及进行实验研究的可能性诸原因，在实际系统上进行实验，通常是不允许的。这时，就需要把实际系统建立成数学模型来进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去。这种方法叫做模拟或仿真研究，简称“仿真”。
物理仿真就是用缩小(或放大)了的尺寸(或容量)，制作与系统原型相同的模型，模型的变量与真实系统的变量完全一致。例如，要研究一个大功率的晶闸管直流调速系统．我们可用小容量的电动机、发电机(作负载用)及小容量的晶闸管整流装置组成一个物理仿真系统。物理仿真造价较高，而且要作大量的安装、调整等工作，因而准备的周期较长。
数字仿真是将实际系统的运动规律用数学方程(一组微分方程或差分方程)来描述，然后用数字计算机来解数学方程。在数学仿真中，由于仿真模型和真实系统具有相同的数学模型。因此就动态性能而言，对模型的研究，就可以代替对真实系统的研究。
数字仿真比物理仿真具有更广泛的用途，它可以对物理性质截然不同的许多控制系统进行研究。数字仿真的准备工作比物理仿真所需准备的工作量要小，周期也要短，所化的费用也少，试验数据的处理也简单，这是数字仿真比物理仿真发展更迅速的原因。
控制理论实验分为两大部分：
１．物理仿真。包括利用运算放大器的基本特性(开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等)，设置不同的输入网络和反馈网络来实现各种典型环节，再由各种典型环节按实验要求可连接起来构成整个系统的电子模拟装置以及小功率模拟随动系统。
２． 数字仿真。主要包括基于MATLAB语言的控制系统分析和设计以及Simulink仿真。
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第一部分
第一章 控制系统动态特性的时域及频域测试
§1—1 控制系统动态特性的时域测试
控制系统的动态特性是指系统在动态过程(过渡过程)中输出量对于输入量的时间函数关系。由于大多数控制系统是以时间作为独立变量的，因此系统的动态特性往往用时域响应来描述。一般而言，只要在阶跃信号输入下系统的时域响应能符合设计要求，则在其它任何信号输入下，系统的动态性能指标能满足要求。实验获得阶跃响应的方法很多。其中最简单的一种就是直接给于系统一个阶跃输入量，并同时用测试仪器(慢扫描示波器、光线示波器或函数记录仪等)测量其输出量。假如测得实际系统的阶跃响应如图1-1-1所示，则系统的动态性能可用该图中
所示的性能指标来表征(图中取初始条件 图1-1-1 阶跃响应的性能指标 为零)。
一、上升时间tr。对于过阻尼系统它是响应从终值的10％上升到90％所需要的时间，图1-1-1表示欠阻尼系统。
二、峰值时间tp。当响应曲线到达第一个峰值所需的时间。
三、超调量?p%。响应曲线超过阶跃输入的最大偏离量。通常表示为阶跃响应终值的百分数，即?p%?C(tp)?C(?)C(?)?100% 。
四、调整时间ts。响应曲线衰减到并停留在终值的某一规定的误差带(2％或5％)内所需的时间。
五、振荡次数N。在调整时间内，响应曲线穿越其终值C(?)次数的一半。 在分析和设计控制系统时，上述性能指标不是全部都要采用的。应根据系统的使用条件和实际情况，只对其中几个认为重要的性能指标提出要求。
对线性系统可用时域法研究控制系统的动态特性。先对系统加入一个输入
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