自动控制理论实验指导书(仿真).详解(2)

2019-06-17 18:20

为了在图形屏幕上书写文本,可以用text命令在图上的任何位置加标注。例如: text(3.4,-0.06,’Y1’) 和 text(3.4,1.4,’Y2’)

第一个语句告诉计算机,在坐标点x=3.4,y=-0.06上书写出’Y1’。类似地,第二个语句告诉计算机,在坐标点x=3.4,y=1.4上书写出’Y2’。

若要绘制系统t在指定时间(0-10s)内的响应曲线,则用以下语句:

num=[0 0 25];

den=[1 4 25];

t=0:0.1:10;

step(num,den,t)

即可得到系统的单位阶跃响应曲线在0-10s间的部分,如图2-2所示。

2)脉冲响应

① 求系统脉冲响应的指令有:

impulse (num,den) 时间向量t的范围由软件自动设定,阶跃响应曲线随即绘出

impulse (num,den,t) 时间向量t的范围可以由人工给定(例如t=0:0.1:10)

[y,x]=impulse(num,den) 返回变量y为输出向量,x为状态向量 [y,x,t]=impulse(num,den,t) 向量t 表示脉冲响应进行计算的时间 例:试求下列系统的单位脉冲响应: 在MATLAB中可表示为

num=[0 0 1]; den=[1 0.2 1]; impulse(num,den) grid

title(‘Unit-impulse Response of G(s)=1/(s^2+0.2s+1)’)

由此得到的单位脉冲响应曲线如图2-3所示:

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C(s)1 ?G(s)?2R(s)s?0.2s?1

② 求脉冲响应的另一种方法

应当指出,当初始条件为零时,G (s)的单位脉冲响应与sG(s)的单位阶跃响应相同。考虑在上例题中求系统的单位脉冲响应,因为对于单位脉冲输入量,R(s)=1所以

C(s)1s1?C(s)?G(s)?2?2? R(s)s?0.2s?1s?0.2s?1s因此,可以将G(s)的单位脉冲响应变换成sG(s)的单位阶跃响应。

向MATLAB输入下列num和den,给出阶跃响应命令,可以得到系统的单位脉冲响应曲线如图2-4所示。

num=[0 1 0];

den=[1 0.2 1];

step(num,den) grid

title(‘Unit-step Response of sG(s)=s/(s^2+0.2s+1)’)

3)斜坡响应

MATLAB没有直接调用求系统斜坡响应的功能指令。在求取斜坡响应时,通常利用阶跃响应的指令。基于单位阶跃信号的拉氏变换为1/s,而单位斜坡信号的拉氏变换为1/s2。因此,当求系统G(s)的单位斜坡响应时,可以先用s除G(s),再利用阶跃响应命令,就能求出系统的斜坡响应。

例如,试求下列闭环系统的单位斜坡响应。

C(s)1 ?2R(s)s?s?1对于单位斜坡输入量,R(s)=1/s2 ,因此 C(s)?1111??? 222s?s?1s(s?s?1)ss在MATLAB中输入以下命令,得到如图2-5所示的响应曲线:

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num=[0 0 0 1]; den=[1 1 1 0];

step(num,den)

title(‘Unit-Ramp Response Cuve for System G(s)=1/(s^2+s+1)’)

2. 特征参量?和?n对二阶系统性能的影响 标准二阶系统的闭环传递函数为:

2?nC(s) ?2R(s)s2?2??ns??n二阶系统的单位阶跃响应在不同的特征参量下有不同的响应曲线。

1)?对二阶系统性能的影响

设定无阻尼自然振荡频率?n?1(rad/s),考虑5种不同的?值:?=0.1,0.3,0.5,0.7和1.0,利用MATLAB对每一种?求取单位阶跃响应曲线,分析参数?对系统的影响。

为便于观测和比较,在一幅图上绘出5条响应曲线(采用“hold”命令实现)。 num=[0 0 1]; den1=[1 0.2 1]; t=0:0.1:10;step(num,den1,t); text(3.5,1.7,'Zeta=0.1') hold on

den2=[1 0.6 1];den3=[1 1 1];den4=[1 1.4 1]; den5=[1 2 1]; step(num,den2,t); text (3.5,1.4,'0.3') step(num,den3,t); text (3.5,1.2,'0.5')

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step(num,den4,t); text (3.5,1.1,'0.7') step(num,den5,t); text (3.5,0.92,'1.0') grid

title('Impulse-Response Curves for G(s)=1/[s^2+2(zeta)s+1]') 由此得到的响应曲线如图2-6所示:

2)?n对二阶系统性能的影响

同理,设定阻尼比??0.25时,当?n分别取1,2,3时,利用MATLAB求取单位阶跃响应曲线,分析参数?n对系统的影响。

num1=[0 0 1]; den1=[1 0.5 1]; t=0:0.1:10; step(num1,den1,t); grid; hold on text(3.1,1.4,’wn=1’)

num2=[0 0 4]; den2=[1 1 4]; step(num2,den2,t); hold on text(1.7,1.4,’wn=2’)

num3=[0 0 9]; den3=[1 1.5 9]; step(num3,den3,t); hold on text(0.5,1.4,’wn=3’)

由此得到的响应曲线如图2-7所示:

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3.系统稳定性判断

1)直接求根判稳roots()

控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均具有负实部。因此,为了判别系统的稳定性,就要求出系统特征方程的根,并检验它们是否都具有负实部。MATLAB中对多项式求根的函数为roots()函数。

若求以下多项式的根s4?10s3?35s2?50s?24,则所用的MATLAB指令为: >> roots([1,10,35,50,24])

ans =

-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000

特征方程的根都具有负实部,因而系统为稳定的。

2)劳斯稳定判据routh()

注意:routh()和hurwitz()不是MATLAB中自带的功能函数,(在共享文件夹里有劳斯判据和赫尔维茨判据的m文件,把其中的routh.m和hurwitz .m放到MATLAB文件夹下的work文件夹中才能运行)。 劳斯判据的调用格式为:[r, info]=routh(den)

该函数的功能是构造系统的劳斯表。其中,den为系统的分母多项式系数向量,r为返回的routh表矩阵,info为返回的routh表的附加信息。

以上述多项式为例,由routh判据判定系统的稳定性。

>> syms EPS den=[1,10,35,50,24]; ra=routh(den,EPS) r=

1 35 24

32


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