控制工程实验报告.docx

控制工程实验报告精04张为昭91实验一Matlab仿真实验利用Matlab-Simulink工具进行如下仿真实验。-1,对直流电机输入一个单位阶跃信号,画出阶跃响应曲线,指出主导极点。图1-1直流电机的阶跃响应所作的响应曲线如下图1-11所示。图1-11直流电动机响应曲线已知传递函数两个极点是-10和-10000,故主导极点为-10。-2,用测速发电机检测直流电机转速,用控制器Gc(s)控制加到电机电枢上的电压。图1-2直流电机速度闭环控制(1)假设Gc(s)=100,用matlab画出控制系统开环Bode图,计算增益剪切频率、相位裕量、相位剪切频率、增益裕量。开环Bode图如图1-21所示。图1-21开环Bode图求得的增益剪切频率、相位裕量、相位剪切频率、、、、。(2)通过分析Bode图,选择合适的常数Kp作为Gc(s),使闭环阶跃响应的最大超调量在0~5%之间。由于系统为高阶系统且不是最优模型,所以采用试探法求合适的。已知减小,可使超调量降低,但快速性和精度变差差。经过调试,取为41时较合适,此时闭环阶跃响应如图1-22所示。计算得超调量:满足要求,,满足要求。(3)计算此时的稳态位置误差系数,画出闭环系统阶跃响应曲线,稳态值是否与理论一致?系统为0型,此时的稳态位置误差系数即为开环静态放大倍数41,理论稳态值计算为:仿真得到的响应如图1-22所示,,理论和实际相符合。图1-22闭环单位阶跃响应图(4)令Gc(s)=Kp+KI/s,通过分析(2)的Bode图,判断如何取合适的Kp和KI的值,使得闭环系统既具有高的剪切频率和合适的相位裕量,又具有尽可能高的稳态速度误差系数。画出阶跃响应曲线。将Gc(s)=Kp+KI/s化为:原校正前开环传递函数:则加入校正后的开环传递函数:要使稳态速度误差系数大,则静态放大倍数要大,可取为1000。校正后的开环传递函数。要使系统具有较高的剪切频率,可设剪切频率,此时:可见相角裕量也较大。故最终确定参数为,。所做的单位阶跃响应曲线如图1-23所示。图1-23PI校正阶跃响应曲线由图可见校正后的响应速度较快,误差小,稳定性好,说明校正的参数设置是合理的。(5)考虑实际环节的饱和特性对响应曲线的影响:在(4)的基础上,在控制器的输出端加饱和环节,饱和值为±5,输入单位阶跃信号,看各点波形,阶跃响应曲线与(4)有何区别?加入饱和环节后的单位阶跃响应如图1-24所示。图1-24饱和环节单位阶跃响应可见加入饱和环节后,快速性变差,超调量增加,调整时间变长,但稳态误差的变化不明显。-3,其中做了电流控制环。T为电磁力矩,Td为作用在电机轴上的阻力矩。图1-3直流电机位置闭环控制(1)先调好速度环:仅对图1-3中的速度环分析和仿真,速度控制器Gcω(s)取为Kp形式,确定其参数。位置控制器作输入端,速度环的开环传递函数:可见速度环为一个I型3阶系统,暂取Kp=100,得到从位置控制器输入单位阶跃响应曲线如图1-31所示。图1-31Kp=100,位置控制器单位阶跃输入速度环响应可见此时的快速性较好,且I型系统也没有稳态误差。作出此时的开环Bode图如图1-32所示。图1-32Kp=100,位置控制器输入速度环Bode图得到此时的增益剪切频率、相位裕量、香味剪切频率、、、、。系统稳定性快速性都很好。综上所述,可以将Kp选为100。(2)设Td=1(t),仿真速度环在单位阶跃输入下的输出ω,分析稳态误差。按照(1)中的参数设定,速度环的输入为Td=1(t)时,响应曲线如图1-33所示。图1-33Td=1(t),位置控制器输入速度环单位阶跃响应先分析由输入引起的稳态误差。由方块图知道此时的开环传递函数为:为I型系统,稳态位置误差为0。再分析由干扰引起的稳态误差。干扰引起的偏差为:由终值定理得稳态偏差为:由此引起的稳态误差为:叠加以后稳态误差为-。由仿真输出结果也可以看到稳态误差为-。(3)调试位置环:令Td=0,分析速度环的闭环传递函数,设计、调试Kp形式的Gcθ(s),使位置环具有尽可能快的响应速度并且无超调。Td=0,从位置控制器输入时,速度环的闭环传递函数为:为一个为一个0型3阶系统。通过调试Gcθ(s),响应曲线如图1-34所示。图1-34Gcθ(s)=,无干扰时位置环单位阶跃响应(4)令Td