控制实验教材new

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1、1.自动控制系统的模拟与仿真实验1.1自动控制系统的模拟在自动控制系统的分析和设计过程中，广泛采用模拟技术。模拟的本质就是用能够在一定程度上复现工程上实用系统的模型来代替整个系统。有多种模拟方法，其一是物理模拟方法，即通过研究某物理系统模型中的现象来研究实际的物理系统。其二是数学模拟方法，其基本原理是建立在物理系统间的相似性这一基础上的。在自然界中，各类物理系统的运动形式是多种多样的，但就其数学模型的描述而言却往往是一致的。两类具有同样运动规律但却有着不同物理属性的系统，表征它们状态的微分方程在数学形式上都是相同的

2、。物理系统在微分方程的这种相似性，使得人们可对一类物理系统的研究代替对另一类具有同样微分方程的物理系统的研究，从而给自动控制系统的实验带来很大方便。考虑到经济性和教学要求，利用高性能集成运算放大器来模拟机械、电气、热力学等物理系统是很合适的。为模拟大型系统，也往往采用专门研制的电子模拟计算机，其运放是自动稳定零点的双通道运算放大器，不仅能够模拟线性系统，还能够模拟各种非线性系统。例如，利用模拟计算机，可以模拟飞行器的高阶微分方程。第三种模拟方法就是数学物理模拟，例如一个飞行器的自动驾驶控制系统就可用这种方法模拟，飞

3、行器的数学模型通过理论分析和风洞实验建立起来后，一般用专用的模拟计算机模拟（也可以用数字计算机、加上A/D、D/A转换卡来仿真），其输出的飞行器姿态角数值（俯仰，航向，滚动）再通过三轴飞行模拟台来得以复现，陀螺和加速度计等传感器安装在飞行模拟台上，其输出经过真实的控制器来控制相关的舵机，舵机位置的变动再传输到模拟机的输入，从而组成飞行器控制系统。显然，复杂的飞、行力学方程通过模拟计算机模拟，而传感器，控制器和执行环节（舵机）都是实际的物理装备，这就是数学物理模拟，整个系统见图1－1所示。1图1－1控制系统的数学物理

4、模拟由于专用的模拟计算机价格很高，所以在自动控制系统教学实践中往往采用集成运算放大器组成的积分器，PID校正放大器来模拟自动控制系统。在上世纪，本课程就是采用这种方法实验的。至今，一些教学仪器厂还生产这种设备。例如XMN-2等型号的控制理论学习机是采用OP07运算放大器来模拟线性和非线性控制系统的。1．2计算机仿真由于微型计算机的性能飞速提高和普及，使得各种基于微机上运行的应用软件得以迅猛发展。MATLAB软件提供了强大的矩阵运算和绘图功能，非常适合控制系统的计算机辅助设计和分析，往往称为计算机仿真。1993年，S

5、IMULINK问世，它集成在MATLAB4.0中的动态系统建模和仿真工具使得控制系统的计算机辅助设计向可视化方向迈进了一大步。当前，MATLAB的版本已经发展到了6.5，7.0，它已经成为国际控制领域最为流行的计算机辅助设计和教学工具软件，虽然它已经偏离了“矩阵实验室”（MatrixLaboratory）的本意，但其风格和设计理念对控制领域的影响是非常深远的。本次实验是通过上机，学习MATLAB集成环境及其使用方法，进一步通过给定的控制系统，学习SIMULINK在控制系统分析和设计中的应用。一个复杂的控制系统在通过

6、了利用MATLAB软件的计算机辅助设计和分析之后，一般还要进行数学物理模拟才会进入实际系统的调试，但目前已经开发出的基于DSP的控2制器（内部有D/A和A/D等通道），它可直接利用MATLAB软件工具来调试计算机控制系统。这就使MATLAB软件工具从控制系统的CAD发展到计算机控制系统的实现，大大加快了控制系统的设计和实现的进程。1．3MATLAB仿真实验CAD实验室的IBM-PC计算机已经安装了MATLAB6.5，在计算机上进行控制系统仿真实验。1.3.1一阶系统的仿真UC(S)(1)推导并写出图1－2所示的一阶

7、系统的传递函数，图中，Ur(S)R4=R5,R3=1MΩ,C=1μF,R1=20KΩ,而R2有三种选择，即①R2=20KΩ;②R2=200KΩ;③R2=2KΩ.(2)利用MATLAB仿真，画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线，系统的频率特性（BODE图和乃氏图），说明物理系统的线性区（运算放大器供电为±15V）。符号？3图1－2一阶系统1.3.2．二阶系统的仿真UC(S)(1)推导并写出图1－3所示的二阶系统的传递函数,说明选取不同的R5会有Ur(S)不同的阻尼比ξ。图中，R1=1MΩ,C=0.1μF,

8、R3=100KΩ,R4=100KΩ，而R5有三种选择，即①R5=40KΩ;②R5=100KΩ;③R5=140KΩ.图1-3二阶系统（2）利用MATLAB仿真，画出Ur为单位阶跃输入时，输出UC的时域响应曲线；利用MATLAB仿真，画出不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode图和乃氏图），根据这个Bode图,分析二阶系统的主要动态特性（MP,ts）。41.3.3