自控原理与MATLAB

控制系统的模拟试验与MATLAB仿真

1 MATLAB简介

（略）

2 MATLAB基本操作命令

本节简单介绍与本书内容相关的一些基本知识和操作命令。

（1）简单矩阵的输入

MATLAB是一种专门为矩阵运算设计的语言，所以在MATLAB中处理的所有变量都是矩阵。这就是说，MATLAB只有一种数据形式，那就是矩阵，或者数的矩形阵列。标量可看作为1×1的矩阵，向量可看作为n×1或1×n的矩阵。这就是说，MATLAB语言对矩阵的维数及类型没有限制，即用户无需定义变量的类型和维数，MATLAB会自动获取所需的存储空间。

输入矩阵最便捷的方式为直接输入矩阵的元素，其定义如下： （1） 元素之间用空格或逗号间隔；

（2） 用中括号（[]）把所有元素括起来； （3） 用分号（；）指定行结束。

例如，在MATLAB的工作空间中，输入：

5　　6　　9] >> a?[2 3 4；　则输出结果为：

a?234

569矩阵a被一直保存在工作空间中，以供后面使用，直至修改它。

MATLAB的矩阵输入方式很灵活，大矩阵可以分成n行输入，用回车符代替分号或用续行符号（?）将元素续写到下一行。例如：

a?[1，　2，　3；　4，　5，

控制系统的模拟试验与MATLAB仿真

1 MATLAB简介

（略）

2 MATLAB基本操作命令

本节简单介绍与本书内容相关的一些基本知识和操作命令。

（1）简单矩阵的输入

MATLAB是一种专门为矩阵运算设计的语言，所以在MATLAB中处理的所有变量都是矩阵。这就是说，MATLAB只有一种数据形式，那就是矩阵，或者数的矩形阵列。标量可看作为1×1的矩阵，向量可看作为n×1或1×n的矩阵。这就是说，MATLAB语言对矩阵的维数及类型没有限制，即用户无需定义变量的类型和维数，MATLAB会自动获取所需的存储空间。

输入矩阵最便捷的方式为直接输入矩阵的元素，其定义如下： （1） 元素之间用空格或逗号间隔；

（2） 用中括号（[]）把所有元素括起来； （3） 用分号（；）指定行结束。

例如，在MATLAB的工作空间中，输入：

5　　6　　9] >> a?[2 3 4；　则输出结果为：

a?234

569矩阵a被一直保存在工作空间中，以供后面使用，直至修改它。

MATLAB的矩阵输入方式很灵活，大矩阵可以分成n行输入，用回车符代替分号或用续行符号（?）将元素续写到下一行。例如：

a?[1，　2，　3；　4，　5，

自动控制原理 Matlab仿真实验指导书

信阳师范学院物理电子工程学院

自控教研室编制

目 录

自动控制原理Matlab仿真实验要求............................3 实验报告封皮模板..........................................................4 实验一 控制系统数学模型在Matlab中的表示........5 实验二 线性系统的时域分析......................................8 实验三 线性系统的根轨迹分析................................11 实验四 线性系统的频域分析....................................13 实验五 离散系统的分析............................................16 实验六 非线性系统的分析........................................18

2

自动控制原理Matlab仿真实验要求

1、实验前针对各实验的“实验内容”预习并编制好程序；

2、上机调

3. 设单位反馈系统的开环传递函数为：

G0(s)?K

s(0.1s?1)(0.01s?1)试设计一校正装置，使系统期望特性满足如下指标： （1）静态速度误差系数Kv≥250/s；

（2）截止频率?c≥30rad/s； （3）相角裕度?≥45?。 要求：①确定采用何种校正装置。仿真校正前系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

②将校正前性能指标与期望指标进行比较，确定串联校正网络Gc(s)的传递函数，仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。仿真校正后整个系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

③当输入r(t)＝1（t）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线h(t)。分

析校正前后的单位阶跃响应曲线，得出结果分析结论。

三、课程设计的基本要求

1、 学习掌握MATLAB语言的基本命令、基本操作和程序设计；掌握MATLAB语言在自动

控制原理中的应用；掌握SIMULINK的基本操作，使用SIMULINK工具建立系统模型进行仿真。

2、 应用MATLAB/Simulink进行控制系统分析、设计。通过建立数学模型，在MATLAB

环境下对模型进行仿真，使理论与实际得到最优结合。

3、 撰写自动控制原理课程设计报告。

按内容完成设计任

B

副教授：钱慧芳

自控原理教案

教案

第一章 自动控制的一般概念（２H）

1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4. 自动控制基本概念 自动控制技术的应用及自动控制理论的发展 基本控制方式 控制系统分类 对控制系统的基本要求 了解自动控制的基本概念：被控对象、控制器； 正确理解和掌握负反馈控制原理； 了解控制系统的组成与分类； 能确定控制系统的被控对象、被控量和给定量；能根据控制系统工作原理图绘制方块图。 基本内容 基本要求 重点 负反馈控制原理 难点 根据控制系统工作原理图绘制方块图 课后作业 1-1 1-5 备注

第二章 控制系统的数学模型（4H）

基本内容 2-1 控制系统的时域数学模型（1H） 2-2 控制系统的复数域数学模型(1H) 2-3 控制系统的结构图(2H) 1、了解建立系统微分方程的一般方法； 2、掌握运用拉氏变换解微分方程的方法； 3、牢固掌握传递函数的概念、定义和性质； 4、明确传递函数与微分方程之间的关系； 5、能熟练地进行结构图等效变换； 6、明确结构图与信号流图之间的关系； 7、熟练运用梅逊公式求系统的传递函数； 8、掌握从不同途径求传递函数的方法。 基本要求 重点 传递函数的

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 张弛 专业班级： 电气1002班 指导教师： 刘志立 工作单位： 自动化学院

题 目: 用MATLAB进行控制系统的滞后－超前校正设计 初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是

G(s)?Ks(s?1)(s?2)

要求系统的静态速度误差系数Kv?10S?1，??45?。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要

求）

1、 MATLAB作出满足初始条件的最小K值的系统伯德图，计算系统的幅值裕量和相位

裕量。

2、前向通路中插入一相位滞后－超前校正，确定校正网络的传递函数。 3、用MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。

4、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标。

5、课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。说明书的格式按照教务处标准书写。

时间安排:

任务 审题、查阅相关资料 分析、计算 编写程序 撰写报告 论文答辩 时间

自控课程设计

连续定常系统的频率法超前校正

1. 问题描述

当控制系统的开环增益增大到满足其稳态性能所要求的数值时，系统有可能为不稳定，后者即使稳定，其稳态性能却不能满足要求。在这种情况下，需要系统的前向通道中加一个超前校正装置，以实现在开环增益不变的前提下，系统的动态性能能满足设计的要求，超前校正有基于根轨迹法和频率法两种。用频率法对系统进行校正，是利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，从而提高系统的稳定性，致使闭环系统的频带扩展，以达到改善系统暂态响应的目的。但系统频带的加宽也会带来一定的噪声干扰，为了系统具有满意的动态性能，高频段要求幅值迅速衰减，以减少噪声影响。

2. 设计过程和步骤

一、设计题目：

G(s)?100

s(0.1s?1)(0.01s?1)设计超前校正装置，使校正后系统满足：

K??100s?1,?c?50s?1,?%?30%

二、设计过程：

（1）根据稳态误差的要求，确定系统的开环增益K。

- 1 -

自控课程设计

Kv?limsG(s)?limss?0s?0K?100s(0.1s?1)(0.01s?1)

得k?100

（2）由于开环增益k?100,在MATLAB中输入以下命令： z=[ ] ; p=[

<<自动控制理论>>

课程学习指导

与解题指导

理工学院自动化系

二零零三年七月

1

第一章 自控理论基本概念

本章作为绪论，已较全面地展示了控制理论课程的全貌，叙述了今后在课程的学习中要进行研究的各个环节内容和要点，为了今后的深入学习和理解，要特别注意本章给出的一些专业术语及定义。

1、基本要求

（1）明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念。

（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制。

（3）初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式。

（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式。

（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 2．内容提要及小结

（1） 几个重要概念

自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去运行。

自动控制系统 指被控对象和控制装置的总体。这里控制装置是一个广义的名词，主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和。共同构成控制系统，对被控对象的状态实行自动控制，有时又泛称为控制器或调节器。

?被

实验五 线性系统的频域响应分析

1. 实验目的

(1)掌握BODE图的绘制方法和由BODE图确定系统开环传递函数方法。

(2)掌握利用BODE图分析系统性能和校正的方法。 2. 实验原理和内容

(1) 根据下列方框图作出BODE图。

? 开环传递函数：G(s)?10.1s(0.1s?1)

? 闭环传递函数： W(s)?G1?G?100s2?10s?100（?n?10??0.5）

? 系统的BODE图

1

(2) 利用BODE图进行超前串联校正设计的验证。 给出单位负反馈系统的对象传递函数为：

1G0(s)?K0

s(0.1s?1)(0.001s?1)选择校正器的传递函数为：Gc(s)?验证：

? 若在斜坡信号作用下，要求稳态误差ess?0.001. K0=? ? 在BODE图上求出校正前后的稳定余量。并验证系统校正后

的相角余量在：40????50? 。 ? 画出系统校正后的阶跃响应曲线并求出其性能指标。 (3)BODE图的滞后校正设计的验证

给出单位负反馈系统的对象传递函数为：

1G0(s)?K0

s(0.1s?1)(0.001s?1)要求对系统进行滞后串联校正，验证：

2

0.01796s?1

0.001796s?1

? 取K0=30s-1，在

《自动控制原理》

实验指导书

戴 波 盛 沙

北京石油化工学院信息工程学院

2005年8月

目 录

实验一《控制系统装置实验》 ........................................................................... 1 实验二《典型环节的阶跃响应实验》 ......................................................... 4 实验三《MATLAB软件控制系统分析实验》 ........................................... 6 实验四《典型控制系统研究与分析》 ......................................................... 8 实验四《典型控制系统研究与分析》（选做二） ............................ 12 附录一 球杆系统使用说明................................................................................... 15 附录二 直线倒立摆系