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实验六 线性定常系统的串联校正（综合性实验）
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实验六 线性定常系统的串联校正（综合性实验）
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摘要；本论文主要研究如何根据用户要求的性能指标进行自动；设计，而此设计又具有很重要的现实意义；关键词：串联校正；根轨迹法；频率特性法；MATL；Abstract；Inthispaperwewilldiscuss；users’requirementsforaut；stabilityofthesystem．Wha；characteristicsmethodand
摘要本论文主要研究如何根据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正设计，而此设计又具有很重要的现实意义。对于给定的线性定常系统，我们通常通 过加入串联超前、滞后或超前滞后综合校正装置，以达到提高系统的精度和稳定性 的目的。本文分别给出基于频率特性法和根轨迹法的串联校正的具体设计方法及通 用程序。同时，应用MATLAB的GUI对系统进行可视化界面设计，并对实例进行仿 真。本设计可实现如下功能：对于任何一个线性定常系统，用户可以输入需求的性 能指标，通过本设计可给出系统的串联校正网络，从绘制出的各种响应曲线可以直 观地将校正前后的系统进行比较，而仿真实例结果也进一步表明了此设计方法的有 效性和实用性。关键词：串联校正；根轨迹法；频率特性法；MATLAB；GUI AbstractIn thispaperwe will discuss how todesigna cascadecompensator accordingto theusers’requirementsfor automatic ControlSystem，whichis of avery important practical significance．Foragivenlinearregular system，we usuallycontacted a cascadelead，a cascadelagor a cascadelead―lag compensatorin thepurposeof flgreater precisionandstability of thesystem．What are also givenin thispaper based on thefrequencycharacteristics method and the root―locus method are thespecific design methodology and thegeneral programfor cascadecompensation．Atthe sametime，by usingthe GUI of MATLAB we cangeta visual interfacedesignfor ControlSystemsandgivea fewdesign examples．The designCan achieve thefollowingfunctions：Our demands forany linearregular systemwill be realizedby inputtingthemthroughthe interface．Then wecarlobviouslysee the tworesponsecurves incomparison．Thesimulation results of theexamplesdemonstrated the effectiveness and the relevance ofthedesign methodology． Key Words：CascadecompensationRoot-locus methodFrequencycharacteristicsmethodMALB，ABGUI 第1章绪论1．1研究目的在实际工程控制中，往往需要设计一个系统并选择适当的参数以满足性能指标的要求，或对原有系统增加某些必要的元件或环节，使系统能够全面满足性能指标要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计【11。当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定执行元件的形式、特性和参数。然后，根据测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量变送元件。在此基础上，设计增益可调的前置放大器与功率放大器。这些初步选定的元件以及被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。如果通过调整放大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统能够全面满足设计要求，这就是控制系统设计中的校正问题。系统设计过程是一个反复试探的过程，需要很多经验的积累。 MATLAB／Simulink为系统设计提供了有效手段。1．2相关研究现状系统仿真作为一种特殊的实验技术，在20世纪30&'90年代的半个多世纪中经历了飞速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的实验科学。自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门设计自动控制理论、计算机数学、计算机技术、系统辩识以及系统科学的综合性新型学科。它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学等提供了快速、经济、科学及有效的手段圆。自动控制系统仿真就是以自动控制系统模型为基础，采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对自动控制系统进行实验、．分析、评估及预测 研究的一种技术与方法。 1．3研究方法自动控制系统仿真包括以下几个基本步骤：问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析，其流程如图1．1所示： (1)建立数学模型
计算机仿真流程图控制系统模型，是指描述控制系统输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。控制系统模型可分为静态模型和动态模型，静态模型描述的是自动控制系统变量之间的静态关系，动态模型描述的是自动控制系统变量之间的动态关系。最常用、最基本的数学模型是微分方程与差分方程。 (2)建立仿真模型由于计算机数值计算方法的限制，有些数学模型是不能直接用于数值计算的，如微分方程，因此原始的数学模型必须转换为能够进行系统仿真的仿真模型。例如，在进行连续系统仿真时，就需要将微分方程这样的数学模型通过拉普拉斯变换转换成传递函数结构的仿真模型。(3)编写仿真程序控制系统的仿真涉及很多相关联的量，这些量之间的联系要通过编制程序来实现，常用的数值仿真语言有C、FORTRAN等，近年来发展迅速的综合计算仿真软件，如MATLAB也可以用来编写仿真程序，而且编写起来非常迅速、 界面友好，已得到广泛应用。(4)进行仿真实验并分析实验结果在完成以上工作后，就可以进行仿真实验了，通过对仿真结果的分析来对仿真模型与仿真程序进行校验和修改，如此反复，直到达到满意的实验效果为止。1．4创新点与进一步展开的研究本文的创新点是：(1)本论文主要是利用MATLAB7．0对频率法校正和根轨迹方法校正进行编程，生成用于进行系统校正的通用程序。(2)应用MATLAB的GUI对系统进行可视化界面设计，以建立GUI与MATLAB程序的连接，以便于人机交互。然后通过对实例的仿真进一步说明其 对自动控制系统的串联校正设计的通用性，这是最大的创新点所在。(3)用户可以随时查看系统校正前后的各种图形，从中可以直观地看出系统的各种性能指标。随着计算机技术的发展与进步，与之紧密结合的计算机仿真技术也飞速发展，其发展趋势主要表现在以下方面：(1)硬件方面：基于多CPU并行处理技术的权术子仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。(2)应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、 结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。(3)分布式数字仿真：充分利用网络技术进行分布式仿真，投资少，效果好。(4)虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人仿佛置身于真实环境之中，这就是“仿真”追求的最终目标。1．5论文结构介绍本论文主要分为六部分：第一章：绪论。主要介绍了本课题的写作目的，相关的研究现状，研究方法的具体步骤，以及本论文的创新点和进一步需要展开的研究。第二章：开发工具。主要介绍了MATLAB编程语言发展历程及特点，MATLAB 系统构成，并简单介绍了MATLAB的GUI设计。第三章：控制系统性能指标及校正装置分类。主要介绍控制系统的性能指标，二阶系统频域指标与时域指标的关系，控制系统校正的分类。第四章：基于频率法的控制系统的校正环节设计。主要介绍了基于频率法的串联超前校正网络设计的算法步骤和仿真实现；基于频率法的串联滞后校正网络设计 的算法步骤和仿真实现；以及基于频率法的串联超前滞后校正网络设计的算法步骤 和仿真实现。第五章：基于根轨迹法的控制系统的校正环节设计。主要介绍了基于根轨迹法的串联超前校正网络设计的算法步骤和仿真实现；基于根轨迹法的串联滞后校正网 络设计的算法步骤和仿真实现；以及基于根轨迹法的串联超前滞后校正网络设计的 算法步骤和仿真实现。第六章：设计总结。 2．1 MATLAB编程语言发展历程及特点I似TI．,AB的产生是与数学计算紧密联系在一起的。1980年，美国新墨西哥州大学计算机系主任Cleve Moler在给学生讲授线性代数课程时，发现学生在高 级语言编程上花费很多时间，于是着手编写供学生使用的Fortran字程序库借口 程序，他将这个接I：I程序取名为MATLAB(即Matrix Laboratory的前三个字母 的组合，意为“矩阵实验室”)。这个程序获得了很大的成功，受到学生的广泛欢 迎。20世纪80年代初期，Moler等一批数学家与软件专家组建了Math Wbrks软件开发公司，继续从事MATLAB的研究和开发，1984年推出了第一个MATLAB 商业版本，其核心是用c语言编写的。而后，它又添加了丰富多彩的图形图像处 理、多媒体、符号运算以及与其他流行软件的借口功能，使得MATLAB的功能 越来越强大【41。MathWbrks公司正式推出MATLAB后，于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4．0版本；1999年推出的MATLAB5．3版在很多方面进一步改进了MATLAB的功能，随之推出的全新版本Simulink3．0也达到了很高的档次；2000 年10月推出的MATLAB6．0版本，在操作界面上有了很大的改观，同时还给出 了程序发布窗口、历史信息窗口和变量管理窗口等，为用户提供了极大的方便； 2001年6月，MATLAB6．1版即Simulink4．0版问世，功能已十分强大，其虚拟 现实工具箱更给仿真结果三维视景下显示带来了新的解决方案；2001年6月推出了MATLAB Releasel3，即MATLAB6．5／Simulink5．0，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等多方面有了极大的改进；2004年9月正式推出MATLAB Releasel4，即MATLAB7．0／Simulink6．0，其功能在原有的基础上又有了进一步的 改进，它是MATLAB目前最新的版本【5】。MATLAB经过几十年研究与不断完善，现已成为国际上最为流行的科学计算与公车功能计算机软件工具之一，现在的MATLAB已经不仅仅是一个最初的“矩阵实验室”了，它已发展成为一种具有广泛应用前景、全新的计算机高级编程语言。自20世纪90年代，在美国和欧洲大学中，将MATLAB正式列入研究生和本科生的教学计划，MATLAB软件已成为应用代数、自动控制原理、数理统计、 数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等课程的基本教学工具，成为学生 所必须掌握的基本软件之一。在研究单位和工业界，MATLAB也成为工程师们 必须掌握的一种工具，被认作进行高效研究与开发的首选软件工具，其特点是：(1)可扩展性：MATLAB最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立制定功能的M文件。(2)易学易用性：MATLAB不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。(3)高效性：MATLAB语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率[61。2．2 MATLAB系统构成MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口(API)五大部分构成。(1)MATLAB开发环境MATLAB开发环境是一套方便用户使用MATLAB函数和文件的工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成化的工作空间，可以让用户输入、 输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境。它包括MATLAB桌面、命 令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。(2)MATLAB数学函数库MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法，从基本运算(如加法、正弦等)到复杂算法，如矩阵求逆、贝赛尔函数、快速傅里叶变换等。(3)MATLAB语言MATLAB语言是一个高级的基于矩阵／数组的语言，它有程序流控制、函数、 数据结构、输入／输出和每年向对象编程等特色。用户既可以用它来快速编写简 单的程序，也可以用来编写庞大复杂的应用程序。(4)MATLAB图形处理系统图形处理系统使得MATLAB能方便地图形化显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。它包括强力的二维、三维图形函数、图像处理和动画显示等函数。(5)MATLAB应用程序接口(API)17】MATLAB应用程序接口(API)是一个使MATLAB语言能与C、Fortran等其他高级编程语言进行交互的函数库，该函数库的函数通过调用动态链接库(DLL)实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran程序，以及在MATLAB与其它应用程序间建立客户／服务器关系。2．3 MATLAB的GU I设计图形用户界面(GUI，GraphicalUserInterface)是提供人机交互的工具和方法。GUI是用图形对象―-GUI控件，如：按钮、文本、滑块和菜单等组成的用户界面。包含各类专业文献、生活休闲娱乐、高等教育、外语学习资料、92校正等内容。　
　摘要 本论文主要研究如何根据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正 设计,而此设计又具有很重要的现实意义。对于给定的线性定常系统,我们通常通 过加入串联超... 　文件名称:仪器校正作业指导书 文件编号:SOPPB-002 文件版本:1.0 制订部门:品保 制订日期: 修订日期 版本 页数 修订页次 修订摘要 正本 拟案单位 品保 文件... 　仪器校正方法_建筑/土木_工程科技_专业资料。光学水准仪室外校正方法按照《中华人民共和国计量法》和水文行业规范标准,光学水准仪属国家依法管理的计量 器具,检定周期... 　实验二 容量仪器的校正_化学_自然科学_专业资料。实验二一、目的要求 1.了解容量仪器校正的意义。 2.掌握容量仪器校正的方法。 容量仪器的校正 二、实验原理定量分... 　校正校准_机械/仪表_工程科技_专业资料。校正校准概念在企业计量管理中,有很多负责过计量的人员,在很多时候会搞不清校准啊、检定啊、校正 啊、内部校验啊、计量啊... 　第三章 实验仪器校正 第三章 实验仪器校正 3.1 费米能级的测定及谱仪能标的校正谱仪的校正指的是因谱仪的功函数 ?a 的变化、 分析器能量扫描的非线性、 电... 　化验室的仪器校正_化学_自然科学_专业资料。化验室仪器校正一、电子天平校正 1.1 使用前一定要仔细阅读说明书在检定(测试)中我们发现,对天平进行首次计量测试时误差... 　正射校正_数学_自然科学_专业资料。第九章 正射校正正射校正是对图像空间和几何畸变进行校正生成多中心投影平面正射图像的处理过程。 它除了能纠正一般系统因素产生... 　结果 3.1 Image to Iamge 几何校正以具有地理参考的 SPOT 10 米全色波段为基准影像 (bldr_sp.img) 对 Landsat , TM 图像(bldr_tm.img)进行几何校正,其...您所在位置： &
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线性定常系统的串联校正实验教学方法探讨
盐城工学院 电气工程学院,江苏 盐城
摘 要:本文在介绍了串联校正实验的基础上探讨了实 性实验,对培养学生分析问题、解决问题的能力有一定的局限
验教学方法,得出结论只有强化理论联系实际.才能提高学生
性。本文提出线性定常系统的串联校正实验教学方法探讨,希
分析问题、解决问题的能力。
望实验课程能加强学生能力的培养。
关键词:线性定常系统 串联校正 幅频特性 实验教
. 系统校正原理
串联校正系统的方块图如图 所示。图中 是校正装
是需校正的实验电路,两者相串联。
《自动控制原理》是自动化、电气工程及其自动化和电子
信息工程类各专业的教学计划中一门重要的专业基础主干课
程,实验课程安排与理论教学紧密结合。实验课的开设有助于
理论与实践的统一,培养学生分析问题、解决问题的能力。
图 串联校正系统的方块图
目前大多高校开设的《自动控制原理》实验课程都是验证
样化,教学方式的多样化,解决问题的策略多样化,强调思维 究能力和科学精神。教师对探究活动教学的设计与实施.要首
的多层次、多角度。这在很大程度上激活了学生的思维,激发 先考虑学生的实际情况,注意循序渐进。探究活动的要素从少
到多、探究范围从小到大、探究内容从简单到复杂。探究层次
了学生去寻找适合自己的学习方式,教师眼睛再不能只是盯
着知识点,只顾传授知识而忽视学生的个性化发展,教学必须 要求从低到高,逐步地培养学生进行科学探究的能力。在课堂
从学生的经验出发,运用多种教学方式、方法和手段,营造快 探究教学中,还要考虑课时的制约,把握开展探究活动的时机
乐气氛,以学习方式的改变为突
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