计算机控制系统实验指导书(于)

计算机控制系统实验指导书

测控技术与仪器专业

《计算机控制系统》课程

实验指导书

自动控制工程系 沈阳工程学院

计算机控制系统实验指导书

目 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

计算机控制系统实验指导书

实验一 基于MATLAB的典型环节模拟实验

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

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

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：G1(s

) 1

和

G2(s

) 2

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（2） 积分环节：G1(s)

1s

和

G2

(s)

1 0.5s

（3） 比例积分环节：G1(s) 2

10.5s

和

1

G2(s) 1

s

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（4） 惯性环节：G1(s

)

1s 1

和

G

2(s)

2

0.4s 1

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（5） 比例积分微分环节：

1

G1(s)

2 2s

0.5s

和

G2

(s) 1

1

s s

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=[1] den1=[1]

step(num1,den1) hold on

num2=[2]

step(num2,den1)

den3=[1,0]

step(num1,den3)

den4=[0.5 0] step(num1,den4)

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[num5,den5]=parallel(num2,den1,num1,den4) step(num5,den5)

[num6,den6]=parallel(num1,den1,num1,den3) step(num6,den6)

den7=[1 1]

step(num1,den7)

den8=[0.4 1] step(num2,den8)

num9=[2,0]

[num10,den10]=parallel(num2,den1,num1,den4,num9,den1) step(num10,den10)

num11=[1 0]

[num12,den12]=parallel(num1,den1,num2,den1,num10,den1) step(num12,den12)

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。

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实验二 基于matlab控制系统瞬态响应和稳定性分析

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. 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、 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、 实验内容

1. 通过函数Setp，求取传递函数G（s)

K

增益K在10、5、2、

0.5s(0.2s 1)

1时的四条响应曲线，并从响应曲线上求得超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS figure(1) num1=[20]

den1=[0.1 0.5 20] roots(den1)

step(num1,den1)

figure(2) num2=[10]

den2=[0.1 0.5 10] roots(den2)

step(num2,den2)

figure(3) num3=[5]

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den3=[0.1 0.5 5] roots(den3)

step(num3,den3)

figure(4)

num4=[1]

den4=[0.1 0.5 1] roots(den4)

step(num4,den4)

figure(1)

Mp=57%,tp=0.227,ts=1.18

figure(2)

Mp=44%,tp=0.321,ts=1.12

figure(3)

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Mp=30%,tp=0.486,ts=1.19 figure(4)

Mp=2%,tp=1.02,ts=1.02

2. 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。

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