实验四 频域稳定性分析

武汉工程大学自动控制原理实验指导书

实验四 频域稳定性分析

一、实验目的

(1)巩固系统频域稳定性的概念;

(2)利用 MA TLAB 绘制 Nyquist 图、Bode 图和 Nichols 图进行频域分析;

(3)学习利用 MA TLAB 进行系统参数设计的方法。

二、实验设备

(1)硬件:个人计算机;

(2)软件:MA TLAB 仿真软件(版本 6.5 或以上)。

三、实验内容和步骤

1.熟悉本实验涉及的部分 MA TLAB 函数

本实验涉及的 MA TLAB 函数包括 nyquist 、nichols 、margin 、pade 等。

调用函数 nyquist 可以绘制出系统的 Nyquist 图,调用方法见图 4.1。如果只输入等式的右边,会 直接生成 Nyquist 图。

图 4.1 函数 nyquist 的调用

例1 函数 nyquist 调用示例

某闭环控制系统如图 4.2 所示, 利用函数 nyquist 绘制其 Nyquist 图的程序段及运行结果如图 4.3 所示。

图 4.2 某闭环控制系统 1

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图 4.3 例 1 系统的 Nyquist 图及相关程序

系统的增益裕量和相位裕量既可借助 Nyquist 图也可通过 Bode 图来确定。图 4.4 说明了利用函数 margin 由 Bode 图确定例 1 系统相对稳定性的方法。如果只输入等式的右边,会自动生成 Bode 图并 标注增益与相位裕量,如图 4.5 所示。

图 4.4 函数 margin 的调用方法一

2

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图 4.5 函数 margin 的调用方法二

系统的 Nichols 图可以利用函数 nichols 生成,如图 4.6 所示。如果只输入等式的右边,会自动生 成 Nichols 图。

图 4.6 函数 nichols 的调用 3

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sT 函数 pade 可以用来近似表示延迟环节 e ,如图 4.7 所示。

图 4.7 函数 pade 的调用

2.利用函数 nyquist 和 margin 分析系统的相对稳定性

修改本实验所附程序 lab4_1.m 并运行之,分析 K = 0.5、2、3.013、4 和 10 时,开环传递函数为 K G (s ) = 3 2s + 2s + s + 0.5

某单位负反馈闭环系统(如图 4.8 所示)的相对稳定性。

图 4.8 某闭环系统二

3.利用函数 nichols 分析系统的相对稳定性

修改本实验所附程序 lab4_2.m 并运行之,分析图 4.8 所示系统中开环传递函数分别为

1 0.64 (1) G (s ) = ; (2) G (s ) = 2 s (s + 1)(0.2s + 1) s (s + s + 1)

时该系统的稳定性。

4.液位控制系统的稳定性分析

修改本实验所附程序 lab4_3.m 并运行之,分析图 4.9 所示液位控制系统(T = 1 秒)的相对稳定性。 如若要求系统具有至少 30°的相位裕量,试借助程序 lab4_3.m 寻找合适的系统开环增益。

四、实验预习

(1)分析源程序,了解本实验所涉及 MATLAB 函数和符号的功能与用法;

(2)根据实验内容作出理论分析和计算。

4

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图 4.9 (a) 液位控制系统 (b) 系统方框图

五、实验报告

(1)将实验曲线和结果按实验内容进行归纳、整理,分析参数变化对系统的影响,并与理论结果进行

比较,如有矛盾处请分析原因。

(2)可自行增加或设计实验情形,借以充分说明你的结论。

(3)附上所有程序段。

六、思考题

sT (1)程序 lab4_3.m 将延迟环节 e 近似为几阶环节?该近似表达式是怎样的?

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实验四 频域稳定性分析

一、实验目的

(1)巩固系统频域稳定性的概念;

(2)利用 MA TLAB 绘制 Nyquist 图、Bode 图和 Nichols 图进行频域分析;

(3)学习利用 MA TLAB 进行系统参数设计的方法。

二、实验设备

(1)硬件:个人计算机;

(2)软件:MA TLAB 仿真软件(版本 6.5 或以上)。

三、实验内容和步骤

1.熟悉本实验涉及的部分 MA TLAB 函数

本实验涉及的 MA TLAB 函数包括 nyquist 、nichols 、margin 、pade 等。

调用函数 nyquist 可以绘制出系统的 Nyquist 图,调用方法见图 4.1。如果只输入等式的右边,会 直接生成 Nyquist 图。

图 4.1 函数 nyquist 的调用

例1 函数 nyquist 调用示例

某闭环控制系统如图 4.2 所示, 利用函数 nyquist 绘制其 Nyquist 图的程序段及运行结果如图 4.3 所示。

图 4.2 某闭环控制系统 1

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图 4.3 例 1 系统的 Nyquist 图及相关程序

系统的增益裕量和相位裕量既可借助 Nyquist 图也可通过 Bode 图来确定。图 4.4 说明了利用函数 margin 由 Bode 图确定例 1 系统相对稳定性的方法。如果只输入等式的右边,会自动生成 Bode 图并 标注增益与相位裕量,如图 4.5 所示。

图 4.4 函数 margin 的调用方法一

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图 4.5 函数 margin 的调用方法二

系统的 Nichols 图可以利用函数 nichols 生成,如图 4.6 所示。如果只输入等式的右边,会自动生 成 Nichols 图。

图 4.6 函数 nichols 的调用 3

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sT 函数 pade 可以用来近似表示延迟环节 e ,如图 4.7 所示。

图 4.7 函数 pade 的调用

2.利用函数 nyquist 和 margin 分析系统的相对稳定性

修改本实验所附程序 lab4_1.m 并运行之,分析 K = 0.5、2、3.013、4 和 10 时,开环传递函数为 K G (s ) = 3 2s + 2s + s + 0.5

某单位负反馈闭环系统(如图 4.8 所示)的相对稳定性。

图 4.8 某闭环系统二

3.利用函数 nichols 分析系统的相对稳定性

修改本实验所附程序 lab4_2.m 并运行之,分析图 4.8 所示系统中开环传递函数分别为

1 0.64 (1) G (s ) = ; (2) G (s ) = 2 s (s + 1)(0.2s + 1) s (s + s + 1)

时该系统的稳定性。

4.液位控制系统的稳定性分析

修改本实验所附程序 lab4_3.m 并运行之,分析图 4.9 所示液位控制系统(T = 1 秒)的相对稳定性。 如若要求系统具有至少 30°的相位裕量,试借助程序 lab4_3.m 寻找合适的系统开环增益。

四、实验预习

(1)分析源程序,了解本实验所涉及 MATLAB 函数和符号的功能与用法;

(2)根据实验内容作出理论分析和计算。

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图 4.9 (a) 液位控制系统 (b) 系统方框图

五、实验报告

(1)将实验曲线和结果按实验内容进行归纳、整理,分析参数变化对系统的影响,并与理论结果进行

比较,如有矛盾处请分析原因。

(2)可自行增加或设计实验情形,借以充分说明你的结论。

(3)附上所有程序段。

六、思考题

sT (1)程序 lab4_3.m 将延迟环节 e 近似为几阶环节?该近似表达式是怎样的?

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