2022年自动控制系统的稳定性和稳态误差分析 .pdf

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1、实验三自动控制系统的稳定性和稳态误差分析一、实验目的1、研究高阶系统的稳定性，验证稳定判据的正确性；2、了解系统增益变化对系统稳定性的影响；3、观察系统结构和稳态误差之间的关系。二、实验任务1、稳定性分析欲判断系统的稳定性， 只要求出系统的闭环极点即可， 而系统的闭环极点就是闭环传递函数的分母多项式的根，可以利用MATLAB 中的 tf2zp 函数求出系统的零极点，或者利用root 函数求分母多项式的根来确定系统的闭环极点，从而判断系统的稳定性。（1）已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为0.2(2.5)( )(0.5)(0.7)(3)sG ss sss，用 MATLAB 编写程序来判断闭环系

2、统的稳定性，并绘制闭环系统的零极点图。在 MATLAB 命令窗口写入程序代码如下：z=-2.5 p=0,-0.5,-0.7,-3 k=0.2 Go=zpk(z,p,k) Gc=feedback(Go,1) Gctf=tf(Gc) 运行结果如下：Transfer function: 0.2 s + 0.5 - s4 + 4.2 s3 + 3.95 s2 + 1.25 s + 0.5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - -

3、 s4 + 4.2 s3 + 3.95 s2 + 1.25 s + 0.5 是系统的特征多项式，接着输入如下MATLAB 程序代码：den=1,4.2,3.95,1.25,0.5 p=roots(den) 运行结果如下：p = -3.0058 -1.0000 -0.0971 + 0.3961i -0.0971 - 0.3961i p 为特征多项式 dens的根，即为系统的闭环极点，所有闭环极点都是负的实部，因此闭环系统是稳定的。下面绘制系统的零极点图，MATLAB 程序代码如下：z=-2.5 p=0,-0.5,-0.7,-3 k=0.2 Go=zpk(z,p,k) Gc=feedback(Go

4、,1) Gctf=tf(Gc) z,p,k=zpkdata(Gctf,v) pzmap(Gctf) grid 运行结果如下：z = -2.5000 p = -3.0058 -1.0000 -0.0971 + 0.3961i -0.0971 - 0.3961i 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - k = 0.2000 输出零极点分布图如图3-1 所示。图 3-1 零极点分布图（2）已知单位负反馈控制系统的开环传递函数

5、为(2.5)( )(0.5)(0.7)(3)k sG ss sss，当取k=1，10，100 用 MATLAB 编写程序来判断闭环系统的稳定性。只要将（ 1）代码中的 k 值变为 1，10，100，即可得到系统的闭环极点，从而判断系统的稳定性，并讨论系统增益k 变化对系统稳定性的影响。K=1 时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - K=10 时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

6、- - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - K=100 时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2、稳态误差分析（1）已知如图 3-2 所示的控制系统。其中25( )(10)sG sss，试计算当输入为单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位加速度信号时的稳态误差。图 3-2 系统结构图从 Simulink 图形库浏览器中拖曳

7、Sum（求和模块）、Pole-Zero（零极点）模块、Scope （示波器）模块到仿真操作画面，连接成仿真框图如图3-3 所示。图中，Pole-Zero（零极点）模块建立( )G s，信号源选择Step（阶跃信号）、Ramp名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - （斜坡信号） 和基本模块构成的加速度信号。为更好观察波形， 将仿真器参数中的仿真时间和示波器的显示时间范围设置为300。图 3-3 系统稳态误差分析仿真框图信

8、号源选定 Step（阶跃信号），连好模型进行仿真，仿真结束后，双击示波器，输出图形如图3-4所示。图 3-4 单位阶跃输入时的系统误差信号源选定Ramp（斜坡信号），连好模型进行仿真，仿真结束后，双击示波器，输出图形如图3-5 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 3-5 斜坡输入时的系统误差信号源选定加速度信号，连好模型进行仿真，仿真结束后，双击示波器，输出图形如图 3-6 所示。图 3-6 加速度输入时

9、的系统误差从图 3-4、3-5、3-6 可以看出不同输入作用下的系统的稳态误差，系统是II型系统，因此在阶跃输入和斜坡输入下，系统稳态误差为零， 在加速度信号输入下，存在稳态误差。（2）若将系统变为 I 型系统，5( )(10)G ss s，在阶跃输入、斜坡输入和加速度信号输入作用下，通过仿真来分析系统的稳态误差。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 三、实验要求（1） 讨论下列问题：a) 讨论系统增益 k 变化对系

10、统稳定性的影响；增益 K 可以在临界 K 的附近改变系统的稳定性b) 讨论系统型数以及系统输入对系统稳态误差的影响。增大系统开环增益K，可以减少 0 型系统在阶跃输入时的位置误差，可以减少 i 系统在斜坡输入时的速度误差，可以减少ii 型系统在加速度输入时的加速度误差。（5）实验体会。通过实验，了解了高阶系统稳定性的判断，进一步验证了系统稳定性的正确性；了解了系统增益对系统稳定性的影响。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -