现代控制理论实验报告
实验一线性控制系统状态空间法分析
第一部分线性控制系统状态空间模型的建立及转换
一、实验目的
1 掌握线性控制系统状态空间模型的建立方法。
2 掌握MATLAB中的各种模型转换函数。
二、实验项目
1 已知系统的传递函数求取其状态空间模型。
2 MATLAB中各种模型转换函数的应用。
3 连续时间系统的离散化。
三、实验设备与仪器
1、计算机
2、MATLAB软件
四、实验原理及内容
（一）系统数学模型的建立
1、传递函数模型—tf
功能：生成传递函数，或者将零极点模型或状态空间模型转换成传递函数模型。
格式：G=tf(num,den)
其中，（num,den）分别为系统的分子和分母多项式系数向量。返回的变量G为传递函数对象。
2、状态方程模型—ss
功能：生成状态方程，或者将零极点模型或传递函数模型转换成状态方程模型。
格式：G=ss(A,B,C,D)
其中，A,B,C,D分别为状态方程的系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵和前馈矩阵。
3、零极点模型—zpk
功能：生成零极点模型，或将状态方程模型或传递函数模型转换成零极点模型。
格式：G=zpk(z, p, K)
其中，z,p,K分别表示系统的零点、极点和增益。
【例】：G=tf([-10 20 0],[1 7 20 28 19 5])
sys=zpk(G);
G=tf([-10 20 0],[1 7 20 28 19 5])
Transfer function:
-10 s^2 + 20 s
----------------------------------------
s^5 + 7 s^4 + 20 s^3 + 28 s^2 + 19 s + 5
>> sys=zpk(G)
Zero/pole/gain:
-10 s (s-2)
----------------------
(s+1)^3 (s^2 + 4s + 5)
（二）连续时间系统离散化
函数名称：c2d
格式：G=c2d(G1,Ts)，其中Ts 为采样周期。 功能：连续时间系统离散化。
要求：先进行理论求解，再与仿真结果相比较。 【例】试写出连续时间系统
u x x ??
????+??????-=102010 采样周期为T 的离散化状态方程。
1、理论求解 解：先求At e
1
111201])[()(----?
?
?
???+-=-==s s L A sI L e t At
φ ??
???
???-=?????
?
??????++=---t
t e e s s s s L 2210)1(2
11210)2(11 T
t t T T G ===)()()(φφ??
?
????
?-=--T
T e e 220)1(2
11 τττφττd e e Bd T H T
T
?????????
?????
-==?
?--100)1(211)()(0
220
τττd e e T ?????????-=--022)1(21 021412122T e e ??????????-+=--τττ??????????-+-=--T T e
e T 222121414121 所以：
)()()()()1(k u T H k x T G k x +=+
)(2121414121)()(0)1(211)1()1(22212221k u e e T k x k x e e k x k x T T T T
??????
????-+-+??????????????-=??????++---- 2、MATLAB 仿真程序及运行结果（自己编写程序并调试运行）
>> A=[0 1;0 -2];
>> B=[0;1];
>> T=0.1;
>> [G1 H1]=c2d(A,B,T)
G1 =
1.0000 0.0906
0 0.8187
H1 =
0.0047
0.0906
3、分析
这里T=0.1;综上所述说明用MATLAB仿真与理论计算相同，MATLAB仿真是正确的。（三）状态空间表达式的线性变换
函数名称：ss2ss
功能：完成状态空间表达式的线性变换。
格式：G=ss2ss(G1,inv(P)) 其中inv(p)为变换阵p的逆阵。
例：>> a=[0 1 0;0 0 1;2 3 0];
>> b=[0;0;1];
>> c=[1 0 0];
>> p=[1 ;0 1;-1 1 2;1 -2 4];
>> G1=ss(a,b,c,0);
>> G=ss2ss(G1,inv(p))
a = x1 x2 x3
x1 -1 1 0
x2 1.665e-016 -1 0
x3 0 0 2
b = u1
x1 -0.1111
x2 -0.3333
x3 0.1111
c = x1 x2 x3
y1 1 0 1
d = u1
y1 0
Continuous-time model.
>>
五、思考题
1 MATLAB 中的函数其实都是一些子程序，那么其ss2tf （）函数是如何编写的？ 答: A=;B=;C=;D=; Sys=ss(A,B,C,D); G=tf(Sys)
2 在MATLAB 中对连续系统进行离散化有何现实意义？
答:用数字计算机求解连续系统方程或对连续的被控对象进行计算机控制时，由于数字计算机运算和处理均用数字量，这样就必须将连续系统方程离散化。在MATLAB 中对连续系统进行离散化，能够使得计算机能求解连续系统方程或对连续的被控对象进行控制。
第二部分 线性控制系统能控性、能观性和稳定性分析
一、实验目的
1 掌握线性控制系统能控性和能观测性的判别方法，了解不可控系统或不可观测系统的结构分解方法。
2 掌握控制系统在李亚普诺夫意义下的稳定性的分析方法。 二、实验项目
1运用MATLAB 分析给定系统的能控性和能观测性。 2 系统的结构分解。
3 运用MATLAB 分析分析给定系统的稳定性。 三、实验设备与仪器
1、计算机
2、MATLAB 软件 四、实验原理及内容
（一） 系统可控性和可观测性判别
1、可控性判别 (1)可控性判别矩阵co=ctrb(a,b)或co=ctrb(G) (2)如果rank(co)=n ，则系统状态完全可控。
2、可观测性判别 (1)可观测性判别矩阵ob=ctrb(a,c)或ob=ctrb(G) (2)如果rank(ob)=n ，则系统状态完全可观测。 （二） 稳定性分析
设系统的状态方程为：?????????????--=??????21211110x x x
x
试确定系统在平衡状态处的稳定性。
五、实验报告要求
将调试前的原程序及调试后的结果要一起写到实验报告上。
举例如下：
>> A=[1 0 -1;-1 -2 0;3 0 1];
>> B=[1 0;2 1;0 2];
>> C=[1 0 0;0 -1 0];
>> Q1=ctrb(A,B)
Q1 =
1 0 1 -
2 -2 -4
2 1 -5 -2 9 6
0 2 3 2 6 -4
>> Q2=obsv(A,C)
Q2 =
1 0 0
0 -1 0
1 0 -1
1 2 0
-2 0 -2
-1 -4 -1
>> R1=rank(Q1)
R1 = 3
>> R2=rank(Q2)
R2 =3
从计算结果可以看出，系统能控性矩阵和能观测性矩阵的秩都是3，为满秩，因此该系统是能控的，也是能观测的。
六、实验总结：
通过本次实验，我们学会线性控制系统状态空间模型的建立方法及MATLAB中的各种模型转换函数，以及线性控制系统能控性和能观测性的判别方法。
实验二 状态反馈控制系统的设计
第一部分 基于MATLAB 和极点配置法状态反馈控制系统的设计
一、实验目的
1 掌握极点配置法的基本思想。
2利用MATLAB 中的函数设计状态反馈控制系统。 二、实验项目
运用MATLAB 和极点配置法设计状态反馈控制系统。 三、实验设备与仪器
1、计算机
2、MATLAB 软件 四、实验原理及内容
1、SISO 系统极点配置 — acker
格式：k=acker(a,b,p)
说明：acker 函数可计算反馈增益矩阵K 。其中K 为行向量，p 为由期望极点构成的行向量。
【例】：已知系统动态方程为
u
x x ????
?
?????+??????????--='100320100010 []x y 0010=
试用MATLAB 编程设计反馈增益矩阵K ，使闭环极点配置在-2，-1+j ，-1-j 。 解：首先判断系统的能控性，输入以下语句 A=[0 1 0;0 0 1;0 -2 -3]; >> B=[0;0;1]; >> R=rank(ctrb(A,B)) R = 3
这说明系统能控性矩阵满秩，系统能控，可以应用状态反馈，任意配置极点。 A=[0 1 0;0 0 1;0 -2 -3]; >> B=[0;0;1]; >> C=[10 0 0]; >> P=[-2 -1+j -1-j];
>> K=place(A,B,P)
K = 4.0000 4.0000 1.0000
2、MIMO系统极点配置—place
格式：k=place(A,B,p)
五、实验报告要求
要从理论上分析极点配置的过程，并将调试前的原程序及调试后的结果要一起写到实验报告上。
六、思考题
1 极点配置法的基本思想和设计思路是什么？
答:状态反馈系统的稳定性和瞬态性能主要是由系统极点决定的。如果引入状态反馈将系统的极点配置在s左半平面的希望位置上，则可以得到满意的系统特性，一个系统引入状态反馈可以任意配置极点的条件是原系统能控。
2 如何验证设计出的系统是否达到了设计要求？
答:看配置的极点是否在s左半平面的希望位置上.
第二部分极点配置全状态反馈控制系统的设计
一、实验目的
1 学习并掌握用极点配置法来设计全状态反馈控制系统。
2 用软件仿真方法研究参数对系统性能的影响。
二、实验仪器与设备
计算机一台、MATLAB软件。
三、实验内容
1 设计典型二阶系统的极点配置全状态反馈控制系统，并进行软件仿真研究。
2 设计典型三阶系统的极点配置全状态反馈控制系统，并进行软件仿真研究。
四、实验步骤
1 典型二阶系统
（1）对一已知二阶系统（图5-1）用极点配置方法设计全反馈系数。
（2）参照图5-2，图5-3，软件仿真其阶跃响应。
（3）改变系统电路，使系统恢复到图5-1所示情况，软件仿真其阶跃响应。（4）对实验结果进行比较、分析，并完成实验报告。
2 典型三阶系统
（1）对一已知三阶系统（图5-4）用极点配置方法设计全反馈系数。 （2）参照图5-7，图5-8，软件仿真其阶跃响应。
（3）改变系统电路，使系统恢复到图5-6所示情况，软件仿真其阶跃响应。 五、实验原理
1 典型二阶系统全状态反馈的极点配置设计方法 （1）被控对象状态方程与能控性
若被控系统（A 、B 、C ）完全能控，则通过状态反馈可以任意配置极点，取图5-1所示系统为实验系统。
()
s R ()
s C s
11
0501+s .-
1
x 2
x 图5-1 二阶实验系统结构图
由图可见系统的开环传递函数为()()
10501
+=
s .s s G ，取图中21x ,x 为状态变量，将系统开
环传递函数表示为被控对象状态方程S （A 、B 、C ），可以得：
[]??
???=???
???+??????-=x y u x x 0110002020 故有：[]201200=?
??
???==Rank AB B Rank RankW c 可见状态完全能控。
（2）理想极点配置
期望的性能指标为：超调量%p 25≤δ，峰值时间50.t p ≤秒。由经典控制理论可知：
%e
/
p 252
1≤=--ξξπδ，选择阻尼比7070.=ξ。s .t n p 5012
≤-=
ξ
ωπ，
选择()s /n 110=ω
于是可以得到系统的理想极点为：07707707707711.j .p ,.j .p --=+-=。
系统的理想特征方程为：1001414222
2++=++s .s s s n n ωξω。
（3）状态反馈系数的确定
加入全状态反馈后的系统特征方程为：
()020202020
2012222
1
=++++=+-+=
+-k k s k s k s k s BK A sI 配置理想极点，则有：
()100141420202021222++=++++s .s k k s k s 于是可以计算出：[][]9591021
..k k K -==
按极点配置设计的具有全状态反馈的系统结构如图5-2所示。
()
s R ()
s C s 11
0501+s .-
1
x 2
x 图5-2 二阶全状态反馈实验系统结构图
1k 2
k
系统的模拟电路图如图5-3 所示，图中的参数21x x R ,R 分别为ΩΩk ,k 3318，接线时请注意反馈电路的连接。
()
t r k 2001x R 2
x R k
200k
100u
10k
50k 50u
1R
R
()
t c +
---
-+
+
+
图5-3 二阶全状态反馈实验系统模拟电路图
2 典型三阶系统全状态反馈的极点配置设计方法 （1）典型三阶系统如图5-4所示。
()
s R ()
s C 5
5+s 2
2+s -
s
103
x 2
x 1x 图5-4 典型三阶实验系统结构图
其开环传递函数为()()()
25100
++=
s s s s G
闭环传递函数为()()()100
107100
123+++=+=
s s s s G s G s W
该闭环系统的模拟电路如图5-6所示。
图5-5 典型三阶闭环实验系统的阶跃响应曲线
()
t r k 200k
200u
1k
500k 500u
1R
()
t c +
----+
+
+
k
200k
200k
200k
100u
1R
-
+
图5-6 三阶输出反馈实验系统模拟电路图
可以用劳斯判据判断该闭环系统是不稳定的。闭环系统的阶跃响应曲线如图5-5所示。选取图5-4中的321x ,x ,x 为状态变量，系统开环传递函数可以表示为被控对象状态方
程S （A 、B 、C ）：?
??=+=Cx y Bu Ax x
其中[]0015005002200100=???
?
?
?????=??????????--=C ,B ,A
因为[
]
32==B A AB
B Rank RankW c ，所以系统状态完全能控。
（2）理想极点和理想闭环特征方程
考虑到系统稳定性等要求，选择理想极点为：
91-=S ，222j S +-=，223j S --= 由此可得到理想的闭环特征方程为：
072441323=+++s s s
（3）全状态反馈系数设计
取321x ,x ,x 为状态变量，带全状态的典型三阶系统结构如图5-7所示。求取加全状态反馈后的闭环特征方程，由图5-7可以得到：
()()()010010101057132233=---+-+=+-k s k k s k s BK A sI 令其与理想的闭环特征方程一致，可以求出全状态反馈系数为：
2122720321.k ,.k ,.k -=-=-=
5
5+s 2
2+s s
10()
s R ()
s C 1
x 2
x 3
x 1
k 2
k 3
k 图5-7 带全状态反馈的典型三阶实验系统结构图
（4）全状态反馈的典型系统的模拟电路如图5-8所示，321x x x R ,R ,R 的阻值分别为
ΩΩΩk ,k ,k 15091270。
()
t r k 200k
200u
1k
500k 500u
1R
()
t c +
----+
+
+
k
200k
200k
100u
1R
-
+
图5-8 三阶全状态反馈实验系统模拟电路图
R
R
-
+
1x R 2x R 3
x R
六、思考题与实验报告要求
1 思考题
（1）状态反馈控制器在模拟实验电路中是如何实现的？ （2）状态反馈控制为什么会优于输出反馈控制？ 答:状态反馈系统方程为：X=Ax+B(V-Kx)=(A-BK)x+BV
y=(C-DK)x+DV 式（5-3）
输出反馈系统方程为：X=Ax+B(V-Hy)=[A-BH(I+DH)C]x+[B-BH(I+DH)D]V y=(I+DH)Cx+(I+DH)DV 式（5-5）
比较式（5-3）和式（5-5）可知，式（5-5）系数矩阵中的HC相当于状态反馈系统中的K矩阵。由于m<=n等原因，K矩阵可以选择的自由度比较大，而H矩阵可以选择的自由度相对K矩阵来说要小些，尤其是HC对改善系统性能的效果同K矩阵相要小得多，因此，输出反馈改善系统性能的能力要差些。
七、实验总结：
通过本次实验，初步掌握了用极点配置法来设计全状态反馈控制系统，学会了用软件仿真方法去研究参数对系统性能的影响，这对于我们学习现代控制理论有很好的帮助。
现代控制理论实验报告
实验报告 ( 2016-2017年度第二学期) 名称：《现代控制理论基础》 题目：状态空间模型分析 院系：控制科学与工程学院 班级： ___ 学号： __ 学生姓名： ______ 指导教师： _______ 成绩： 日期： 2017年 4月 15日
线控实验报告 一、实验目的： l.加强对现代控制理论相关知识的理解； 2.掌握用 matlab 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析； 二、实验内容 1 第一题：已知某系统的传递函数为G (s) S23S2 求解下列问题： （1）用 matlab 表示系统传递函数 num=[1]; den=[1 3 2]; sys=tf(num,den); sys1=zpk([],[-1 -2],1); 结果： sys = 1 ------------- s^2 + 3 s + 2 sys1 = 1 ----------- (s+1) (s+2) （2）求该系统状态空间表达式： [A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num,den); A = -3-2 10 B = 1 C = 0 1
第二题：已知某系统的状态空间表达式为： 321 A ,B,C 01：10 求解下列问题： （1）求该系统的传递函数矩阵： （2）该系统的能观性和能空性： （3）求该系统的对角标准型： （4）求该系统能控标准型： （5）求该系统能观标准型： （6）求该系统的单位阶跃状态响应以及零输入响应：解题过程： 程序： A=[-3 -2;1 0];B=[1 0]';C=[0 1];D=0; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D); co=ctrb(A,B); t1=rank(co); ob=obsv(A,C); t2=rank(ob); [At,Bt,Ct,Dt,T]=canon(A,B,C,D, 'modal' ); [Ac,Bc,Cc,Dc,Tc]=canon(A,B,C,D, 'companion' ); Ao=Ac'; Bo=Cc'; Co=Bc'; 结果： （1） num = 0 01 den = 1 32 （2）能控判别矩阵为： co = 1-3 0 1 能控判别矩阵的秩为： t1 = 2 故系统能控。 （3）能观判别矩阵为： ob = 0 1
北航931 自动控制原理综合1
欲索取更多考研资料，请上北京天问教育网站官网！ 自动控制原理综合 自动化科学与电气工程学院 2007年11月
931自动控制原理综合考试大纲（2008版） 一、考试组成 自动控制原理占90分; 理论力学占60分； 二、自动控制原理部分的考试大纲 （一）复习内容及基本要求 1．自动控制的一般概念 主要内容：自动控制的任务；基本控制方式：开环、闭环（反馈）控制；自动控制的性能要求：稳、快、准。 基本要求：反馈控制原理与动态过程的概念；由给定物理系统建原理方块图。 2．数学模型 主要内容：传递函数及动态结构图；典型环节的传递函数；结构图的等效变换、梅逊公式。 基本要求：典型环节的传递函数；闭环系统动态结构图的绘制；结构图的等效变换。 3．时域分析法 主要内容：典型响应及性能指标、一、二阶系统的分析与计算。系统稳定性的分析与计算：劳斯、古尔维茨判据。稳态误差的计算及一般规律。 基本要求：典型响应（以一、二系统的阶跃响应为主）及性能指标计算；系统参数对响应的影响；劳斯、古尔维茨判据的应用；系统稳态误差、终值定理的使用条件。 4．根轨迹法 主要内容：根轨迹的概念与根轨迹方程；根轨迹的绘制法则；广义根轨迹；零、极点分布与阶跃响应性能的关系；主导极点与偶极子。 基本要求：根轨迹法则（法则证明只需一般了解）及根轨迹的绘制；主导极点、偶极子等的概念；利用根轨迹估算阶跃响应的性能指标。 5．频率响应法 主要内容：线性系统的频率响应；典型环节的频率响应及开环频率响应；Nyquist稳定判据和对数频率稳定判据；稳定裕度及计算；闭环幅频与阶跃响应的关系，峰值及频宽的概念；开环频率响应与阶跃响应的关系，三频段（低频段，中频段和高频段）的分析方法。 基本要求：典型环节和开环系统频率响应曲线(Nyquist曲线和对数幅频、相频曲线)的绘制；系统稳定性判据（Nyquist判据和对数判据）；等M、等N圆图，尼柯尔斯图仅作一般了解；相稳定裕度和模稳定裕度的计算；明确最小相位和非最小相位系统的差别，明确截止频率和带宽的概念。 6．线性系统的校正方法 主要内容：系统设计问题概述；串联校正特性及作用：超前、滞后及PID；校正设计的频率法及根轨迹法；反馈校正的作用及计算要点；复合校正原理及其实现。 基本要求：校正装置的作用及频率法的应用；以串联校正为主，反馈校正为辅；以频率法为主，根轨迹法为辅；复合校正的应用。 7．线性连续系统的状态空间分析方法
自动控制原理实验报告
第一章Matlab 基本运算 [范例1-2] 建立矩阵A={7 8 9}，B={7 8 9} >> A=[7,8,9] A = 7 8 9 >> B=A' B = 7 8 9 （2） >> B=[1 1 2 ; 3 5 8 ; 10 12 15] B= 1 1 2 3 5 8 10 12 15 （3） >> a=1:1:10 a = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 >> t=10:-1:1
t = 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 [范例1-3]求多项式D（S）=（5S^2+3）(S+1)(S-1)的展开式 >> D=conv([5 0 3],conv([1 1],[1 -2])) D = 5 -5 -7 -3 -6 [范例1-4]求多项式P（X）=2X^4-5X^3-X+9 （1） >> P=[2 -5 6 -1 9] P = 2 -5 6 -1 9 >> x=roots(P) x = 1.6024 + 1.2709i 1.6024 - 1.2709i -0.3524 + 0.9755i -0.3524 - 0.9755i 第二章控制系统的数学模型 [范例2-1]已知系统传递函数G(S)= s + 3/ s^3 + 2 s^2 + 2 s + 1 >> num=[0 1 3]; >> den=[1 2 2 1]; >> printsys(num,den) num/den = s + 3 --------------------- s^3 + 2 s^2 + 2 s + 1 [范例2-2]已知系统传递函数G(S)=【5*（S+2）^2(S^2+6S+7)】/S(S+1)^3(S^3+2S+1)],试
现代控制理论课程报告
- 现代控制理论课程总结 学习心得 从经典控制论发展到现代控制论,是人类对控制技术认识上的一次飞跃。现代控制论是用状态空间方法表示,概念抽象,不易掌握。对于《现代控制理论》这门课程，在刚拿到课本的时候，没上张老师的课之前，咋一看，会认为开课的内容会是上学期学的控制理论基础的累赘或者简单的重复，更甚至我还以为是线性代数的复现呢！根本没有和现代控制论联系到一起。但后面随着老师讲课的风格的深入浅出，循循善诱，发现和自己想象的恰恰相反，张老师以她特有的讲课风格，精心准备的 ppt 课件，向我们展示了现代控制理论发展过程，以及该掌握内容的方方面面，个人觉得，我们不仅掌握了现代控制理论的理论知识，更重要的是学会了掌握这门知识的严谨的逻辑思维和科学的学习方法，对以后学习其他知识及在工作上的需要大有裨益，总之学习了这门课让我受益匪浅。 由于我们学习这门课的课时不是很多，并结合我们学生学习的需求及所要掌握的课程深入程度，张老师根据我们教学安排需要，我们这学期学习的内容主要有： 1.绪论；2.控制系统的状态表达式；3.控制系统状态表达式的解；4.线性系统的能空性和能观性；5.线性定常系统的综合。而状态变量和状态空间表达式、状态转移矩阵、系统的能控性与能观性以及线性定常系统的综合是本门课程的主要学习内容。当然学习的内容还包括老师根据多年教学经验及对该学科的研究的一些深入见解。 在现代科学技术飞速发展中,伴随着学科的高度分化和高度综合,各学科之间相互交叉、相互渗透,出现了横向科学。作为跨接于自然科学和社会科学的具有横向科学特点的现代控制理论已成为我国理工科大学高年级的必修课。 经典控制理论的特点 经典控制理论以拉氏变换为数学工具，以单输入－单输出的线性定常系统为主要的研究对象。将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。通常是采用反馈控制，构成所谓闭环控制系统。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，这是因为它的以下几个特点所决定。 [ 1．经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不能处理输入和输出皆大于1的系统。实际上，大多数工程对象都是多输入－多输出系统，尽管人们做了很多尝试，但是，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；2．经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽然这
现代控制理论实验
华北电力大学 实验报告| | 实验名称状态空间模型分析 课程名称现代控制理论 | | 专业班级：自动化1201 学生姓名：马铭远 学号：2 成绩： 指导教师：刘鑫屏实验日期：4月25日
状态空间模型分析 一、实验目的 1.加强对现代控制理论相关知识的理解； 2.掌握用 matlab 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析； 二、实验仪器与软件 1. MATLAB7.6 环境 三、实验内容 1 、模型转换 图 1、模型转换示意图及所用命令 传递函数一般形式： MATLAB 表示为： G=tf(num,den)，，其中 num,den 分别是上式中分子，分母系数矩阵。 零极点形式： MATLAB 表示为：G=zpk(Z,P,K) ，其中 Z，P ，K 分别表示上式中的零点矩阵，极点矩阵和增益。 传递函数向状态空间转换：[A,B,C,D] = TF2SS(NUM,DEN)； 状态空间转换向传递函数：[NUM,DEN] = SS2TF(A,B,C,D,iu)---iu 表示对系统的第 iu 个输入量求传递函数；对单输入 iu 为 1。
例1：已知系统的传递函数为G（S）= 2 2 3 24 11611 s s s s s ++ +++ ,利用matlab将传递函数 和状态空间相互转换。 解：1.传递函数转换为状态空间模型： NUM=[1 2 4];DEN=[1 11 6 11]; [A,B,C,D] = tf2ss(NUM,DEN) 2.状态空间模型转换为传递函数： A=[-11 -6 -11;1 0 0;0 1 0];B=[1;0;0];C=[1 2 4];D=[0];iu=1; [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,iu); G=tf(NUM,DEN) 2 、状态方程状态解和输出解 单位阶跃输入作用下的状态响应： G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);plot(t,x). 零输入响应 [y,t,x]=initial(G,x0)其中，x0 为状态初值。
北航自动控制原理实验报告(完整版)
自动控制原理实验报告 一、实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 二、实验目的 1、了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系 2、学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法 3、学习阶跃响应的测试方法 三、实验内容 1、建立一阶系统的电子模型，观测并记录在不同时间常数T时的响应曲线，测定过渡过程时间T s 2、建立二阶系统电子模型，观测并记录不同阻尼比的响应曲线，并测定超调量及过渡过程时间T s 四、实验原理及实验数据 一阶系统 系统传递函数： 由电路图可得，取则K=1，T分别取：0.25, 0.5, 1 T 0.25 0.50 1.00 R2 0.25MΩ0.5M Ω1MΩ C 1μ1μ1μ T S 实测0.7930 1.5160 3.1050 T S 理论0.7473 1.4962 2.9927 阶跃响应曲线图1.1 图1.2 图1.3 误差计算与分析 （1）当T=0.25时，误差==6.12%； （2）当T=0.5时，误差==1.32%； （3）当T=1时，误差==3.58% 误差分析：由于T决定响应参数，而,在实验中R、C的取值上可能存在一定误差，另外，导线的连接上也存在一些误差以及干扰，使实验结果与理论值之间存在一定误差。但是本实验误差在较小范围内，响应曲线也反映了预期要求，所以本实验基本得到了预期结果。 实验结果说明 由本实验结果可看出，一阶系统阶跃响应是单调上升的指数曲线，特征有T确定，T越小，过度过程进行得越快，系统的快速性越好。 二阶系统 图1.1 图1.2 图1.3
系统传递函数： 令 二阶系统模拟线路 0.25 0.50 1.00 R4 210.5 C2 111 实测45.8% 16.9% 0.6% 理论44.5% 16.3% 0% T S实测13.9860 5.4895 4.8480 T S理论14.0065 5.3066 4.8243 阶跃响应曲线图2.1 图2.2 图2.3 注：T s理论根据matlab命令[os,ts,tr]=stepspecs(time,output,output(end),5)得出，否则误差较大。 误差计算及分析 1）当ξ=0.25时，超调量的相对误差= 调节时间的相对误差= 2）当ξ=0.5时，超调量的相对误差==3.7% 调节时间的相对误差==3.4% 4）当ξ=1时，超调量的绝对误差= 调节时间的相对误差==3.46% 误差分析：由于本试验中，用的参量比较多，有R1,R2,R3,R4;C1,C2;在它们的取值的实际调节中不免出现一些误差，误差再累加，导致最终结果出现了比较大的误差，另外，此实验用的导线要多一点，干扰和导线的传到误差也给实验结果造成了一定误差。但是在观察响应曲线方面，这些误差并不影响，这些曲线仍旧体现了它们本身应具有的特点，通过比较它们完全能够了解阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，不影响预期的效果。 实验结果说明 由本实验可以看出，当ωn一定时，超调量随着ξ的增加而减小，直到ξ达到某个值时没有了超调；而调节时间随ξ的增大，先减小，直到ξ达到某个值后又增大了。 经理论计算可知，当ξ=0.707时，调节时间最短，而此时的超调量也小于5%，此时的ξ为最佳阻尼比。此实验的ξ分布在0.707两侧，体现了超调量和调节时间随ξ的变化而变化的过程，达到了预期的效果。 图2.2 图2.1 图2.3
现代控制理论实验报告
现代控制理论实验报告
实验一系统能控性与能观性分析 一、实验目的 1.理解系统的能控和可观性。 二、实验设备 1.THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台； 三、实验容 二阶系统能控性和能观性的分析 四、实验原理 系统的能控性是指输入信号u对各状态变量x的控制能力，如果对于系统任意的初始状态，可以找到一个容许的输入量，在有限的时间把系统所有的状态引向状态空间的坐标原点，则称系统是能控的。 对于图21-1所示的电路系统，设iL和uc分别为系统的两个状态变量，如果电桥中 则输入电压ur能控制iL和uc状态变量的变化，此时，状态是能控的。反之，当 时，电桥中的A点和B点的电位始终相等，因而uc不受输入ur的控制，ur只能改变iL的大小，故系统不能控。 系统的能观性是指由系统的输出量确定所有初始状态的能力，如果在有限的时间根据系统的输出能唯一地确定系统的初始状态，则称系统能观。为了说明图21-1所示电路的能观性，分别列出电桥不平衡和平衡时的状态空间表达式： 平衡时：
由式（2）可知，状态变量iL和uc没有耦合关系，外施信号u只能控制iL的变化，不会改变uc的大小，所以uc不能控。基于输出是uc，而uc与iL无关连，即输出uc中不含有iL的信息，因此对uc的检测不能确定iL。反之式（1）中iL与uc有耦合关系，即ur的改变将同时控制iL和uc的大小。由于iL与uc的耦合关系，因而输出uc的检测，能得到iL 的信息，即根据uc的观测能确定iL（ω） 五、实验步骤 1．用2号导线将该单元中的一端接到阶跃信号发生器中输出2上，另一端接到地上。将阶跃信号发生器选择负输出。 2．将短路帽接到2K处，调节RP2，将Uab和Ucd的数据填在下面的表格中。然后将阶跃信号发生器选择正输出使调节RP1，记录Uab和Ucd。此时为非能控系统，Uab和Ucd没有关系（Ucd始终为0）。 3．将短路帽分别接到1K、3K处，重复上面的实验。 六、实验结果 表20－1Uab与Ucd的关系 Uab Ucd
2012年北航三系305(即导航方向)复试试题(回忆版)
2012年北航三系305（即导航方向）复试试题（回忆版） 先补充说明一下，“北航三系305（即导航方向）”的完整信息如下： 学校：北京航空航天大学 院系：自动化科学与电气工程学院 专业：控制科学与工程 方向：导航、制导与控制 北航三系305（即导航方向）复试总分500分，包括两部分：200分的笔试和300分的面试。 I、笔试 笔试总分200分，其中英语部分50分，专业课部分150分，考试时间2小时。 下面的试题是根据我自己的回忆，按题型分类总结的。 一、英语部分50分，题型为英汉互译。 1、英译汉，共3题，每题10分。 （1）一篇论文的摘要，介绍一种控制方法，约300个单词。 （2）关于通信方面的科普知识，约200个单词。 （3）概念介绍，关于经典控制理论与现代控制理论的对比，约100个单词。 2、汉译英，共2题，每题10分。 （1）“时变系统”与“时不变系统”的概念介绍，约100个汉字。 （2）“计算机仿真”的概念介绍，约100个汉字。 二、专业课部分150分，题型有判断题、选择题、填空题、问答题、计算题等。 1、判断题：关于电路原理，共10道小题。 2、选择题：关于自控原理，有6-7道小题。 3、填空题：在微分方程、传递函数、状态空间方程三种形式下，二阶系统的固有频率分别由什么量给出。 从第4题开始，以下题目均为大题形式： 4、给了一个弹簧振子的图，根据条件写出微分方程。 5、给了一个系统的电路图，让你补全负反馈部分的电路，并且画出系统的框图。
6、PID控制的特点是什么？比例、积分、微分对系统分别有什么影响？ 7、保持器的作用是什么？ 8、离散系统的稳定条件是什么？ 9、连续系统的稳定条件是什么？ 10、在阶跃输入下，为了研究被控对象，应记录响应的“过渡过程曲线”还是“稳定之后的曲线”？如果是正弦输入呢？ 11、画出一阶系统的阶跃响应曲线和脉冲响应曲线，说明一阶系统的特点。 12、机器语言、汇编语言、高级语言分别有什么特点？哪种语言执行速度最快？ 13、如果系统的时间常数为T，那么计算机控制系统的采样周期应该为多少？ 14、采样频率如何确定？它与计算机硬件有怎样的关系？ II、面试 面试总分300分，其中英语口试50分，专业综合面试250分。 面试的题目因人而异，随机性很强。 下面的面试题目是根据我自己的面试经历，按顺序记录下来的。 由于面试时头脑高度紧张，所以回忆得没有笔试题目那么完整，请谅解。 一、英语口试50分，所有的问答全部是英语。 1、进行1分钟左右的自我介绍 2、从若干张纸条中抽取一张，朗 读上面的英文，并翻译，约200个单词。 3、问答： （1）你为什么要考研？ （2）你为什么选择北航读研？ （3）你认为，线性系统与非线性系统的主要区别是什么？ 二、专业综合面试250分，又包括两部分：专业知识问答和其他问答，这两部分没有具体的分值比例和数量比例，我想主要根据面试老师的喜好以及你现场的表现。 1、专业知识问答： （1）什么是最小相位系统？ （2）什么是放大器的频率响应？ （3）在饱和状态下，三极管的极电结是什么状态？ （4）什么是组合逻辑电路？什么是时序逻辑电路？ （5）什么是竞争冒险现象？ 2、其他问答： （1）你在大学期间参加过科技、竞赛等活动吗？
现代控制理论综合设计报告—你懂得
《现代控制理论综合设计报告》 问题重述： 图示为单倒立摆系统的原理图，其中摆的长度l=1m，质量m=0.1kg，通过铰链安装小车上，小车质量M=1kg，重力加速度g=9.8m/s2。控制的目的是当小车在水平方向上运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。 分别列写小车水平方向的力平衡方程和摆的转矩平衡方程，通过近似线性化处理建立系统的状态空间表达式； 绘制带状态观测器状态反馈系统的模拟仿真图，要求系统期望的特征值为：-1，-2，-1+j，-1-j；状态观测器的特征值为：-2，-3，-2+j，-2-j； 根据模拟仿真图，分别绘制系统综合前后的零输入响应曲线 本文的仿真实验亮点如下： ●对单倒立摆进行传统的传递函数、状态空间建模，全面分析了单倒立摆的物理性质。 ●在物理模型建立时，强调了角速度θ不能近似为0。 ●建立状态空间表达时，选择位移x和角度θ作为输出，是一个多输出系统。但增加了状 态观测器设计的复杂度。 ●在摆运动过程中，初始扰动角θ可达60度左右；而且调节过程中，倒立摆θ在（-90,90） 范围内变化，符合实际情况。 ●在仿真波形图中，展示了状态观测器的跟踪过程，体现了其在反馈控制中起到的作用。 ●在初始扰动60度下，分别在原始系统、状态反馈系统、带状态观测器反馈系统，进行 了零输入响应、阶跃输入响应的仿真实验。 ●解释了带状态观测器反馈时，阶跃输入，但系统前1秒处于稳态的现象的原因。
1单级倒立摆数学模型的建立 倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，许多抽象的控制概念都可以通过倒立摆直观地表现出来。本设计是以一阶倒立摆为被控对象来进行设计的。 传递函数法：对SISO 系统进行分析设计，在这个系统中θ作为输出，因为它比较直观，作用力u 作为输入。 状态空间法：状态空间法可以进行单输入多输出系统设计，因此在这个实验中，我们将尝试同时对摆杆角度和小车位置进行控制，并给小车加一个阶跃输入信号。 本文利用Matlab ，对系统的传递函数和状态空间进行分析，并用指令计算状态空间的各种矩阵，仿真系统的开环阶跃响应。Matlab 将会给出系统状态空间方程的A,B,C 和D 矩阵，并绘出在给定输入为阶跃信号时系统的响应曲线。 在忽略了空气阻力、各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统。 假设系统内部各相关参数为： φ和θ都表示摆杆与垂直向上方向的夹角 l L 、都表示 摆杆长度 1m M 小车质量 1kg m 摆杆质量 0.1kg x 小车位置 单倒立摆系统力的平衡方程分析 小车、摆杆力的分析图如下所示： 小车的平衡方程：u H Mx -= 摆杆的X 轴方向力的平衡方程：2 2(sin )d H m x l dt θ=+ 摆杆Y 轴方向，力的平衡方程：2 2(lcos )d V mg m dt θ-= 摆杆的转矩平衡方程：sin cos VL HL I θθθ-= 选择摆杆的质心在端点处，则惯性惯量2 12ml I = 方程的线性化处理 当θ很小时，可对方程进行线性化。由于控制的目的当小车在水平方向上运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。在施加合适的外力下，θ比较小，接近于0，sin ,cos 1θθθ→→,对以 上方程进行线性化。但要注意的是，θ不能约等于0，因为摆杆的角速度在实际情况中是比较快的。但对以上方程先求导会产生θ及其平方项，但这些项都和sin θ相乘，于是这些项还是约等于0。另外，如果先线性化，再求导，则不会产生以上需要考虑的问题。线性化后方程如下：
北航自动控制原理实验报告- 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试
成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学院机械工程及自动化学院 专业方向机械工程及自动化 班级 学号 学生姓名刘帆 自动控制与测试教学实验中心
实验一 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 实验时间2014年11月15日 实验编号 同组同学 一、实验目的 1、 了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。 2、 学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。 3、 学习阶跃响应的测试方法。 二、实验内容 1、 建立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T 时的跃响应曲线,并测定其过渡过程时间T s 。 2、 建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间T s 。 三、实验原理 1、一阶系统阶跃响应性能指标的测试 系统的传递函数为:()s ()1 C s K R s Ts φ=+（）= 模拟运算电路如下图 : 其中2 1 R K R = ,2T R C =;在实验中，始终保持21,R R =即1K =，通过调节2R 和C 的不同取值，使得T 的值分别为0.2,0.51,1.0。记录实验数据，测量过度过程的性能指标，其中取正负5%误差带，按照经验公式取3s t T =
2、二阶系统阶跃响应性能指标的测试 系 统 传递函数为： 令ωn=1弧度/秒，则系统结构如下图： 二阶系统的 模拟电路图如下： 在实验过程中，取22321,1R C R C ==，则 442312R R C R ζ==，即42 12R C ζ=；在实验当中取123121,1R R R M C C F μ===Ω==，通过调整4R 取不同的值，使得ζ分别为0.25,0.5,0.707,1；记录所测得的实验数据以及其性能指标，取正负5%误差 带，其中当ζ<1时经验公式为2 1 3.5 %100%,s n e t ζσζω- -=?= ，当ζ=1时经验公式 为n 4.75 ts ω= 四、试验设备： 1、HHMN-1型电子模拟机一台。 2、PC 机一台。 3、数字万用表一块。 4、导线若干。
现代控制理论实验报告河南工业大学
河南工业大学 现代控制理论实验报告姓名：朱建勇 班级：自动1306 学号：201323020601
现代控制理论 实验报告 专业: 自动化 班级: 自动1306 姓名: 朱建勇 学号: 201323020601 成绩评定: 一、实验题目： 线性系统状态空间表达式的建立以及线性变换 二、实验目的 1. 掌握线性定常系统的状态空间表达式。学会在MATLAB 中建立状态空间模型的方法。 2. 掌握传递函数与状态空间表达式之间相互转换的方法。学会用MATLAB 实现不同模型之 间的相互转换。 3. 熟悉系统的连接。学会用MATLAB 确定整个系统的状态空间表达式和传递函数。 4. 掌握状态空间表达式的相似变换。掌握将状态空间表达式转换为对角标准型、约当标准 型、能控标准型和能观测标准型的方法。学会用MATLAB 进行线性变换。 三、实验仪器 个人笔记本电脑 Matlab R2014a 软件 四、实验内容 1. 已知系统的传递函数 (a) ) 3()1(4)(2++=s s s s G
(b) 3486)(22++++=s s s s s G
(c) 6 1161)(232+++++=z z z z z z G （1）建立系统的TF 或ZPK 模型。 （2）将给定传递函数用函数ss( )转换为状态空间表达式。再将得到的状态空间表达式用函 数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。 （3）将给定传递函数用函数jordants( )转换为对角标准型或约当标准型。再将得到的对角 标准型或约当标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。 （4）将给定传递函数用函数ctrlts( )转换为能控标准型和能观测标准型。再将得到的能控标 准型和能观测标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。
北航_现代控制理论结课大作业
1. 控制系统任务的物理描述 为了满足飞机品质的要求，飞机的纵向运动和横侧向运动都需要有能够连续工作的阻尼器，以用来调整飞机的飞行姿态，避免其出现不必要的俯仰和倾斜。维持飞机纵向运动的阻尼器称为俯仰阻尼器，维持飞机横侧向运动的阻尼器称为偏航阻尼器。本次课程大作业旨在通过运用Matlab 的经典控制系统设计工具对某型飞机偏航阻尼器进行控制系统的设计。 2. 控制系统对象的数学模型 巡航状态下，某型飞机侧向运动的状态空间模型为： 111 12131411122212223242122131 3233343132234142434441424()1()()()()2()()()3()()4t x t a a a a b b t x t a a a a b b u t a a a a b b u t x t t a a a a b b x t t x x x x ??????????????????????????????????=+???????????????????????? ?????????? 111121314122122 2324234()()()()()()x t c c c c y t x t c c c c y t x t x t ??????????=?????????????? 式中： 1()x t ：侧滑角（单位为rad ） 2()x t ：偏航角速度（单位为/rad s ） 3()x t ：滚转角速度（单位为/rad s ） 4()x t ：倾斜角（单位为rad ） 输入向量及输出向量分别为： 1()u t ：方向舵偏角（单位为rad ） 2()u t ：副翼偏角（单位为rad ）
现代控制理论实验报告
现代控制理论实验报告 组员： 院系：信息工程学院 专业： 指导老师： 年月日
实验1 系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换 [实验要求] 应用MATLAB 对系统仿照[例]编程，求系统的A 、B 、C 、阵；然后再仿照[例]进行验证。并写出实验报告。 [实验目的] 1、学习多变量系统状态空间表达式的建立方法、了解系统状态空间表达式与传递函数相互转换的方法； 2、通过编程、上机调试，掌握多变量系统状态空间表达式与传递函数相互转换方法。 [实验内容] 1 设系统的模型如式示。 p m n R y R u R x D Cx y Bu Ax x ∈∈∈?? ?+=+=& 其中A 为n ×n 维系数矩阵、B 为n ×m 维输入矩阵 C 为p ×n 维输出矩阵，D 为传递阵，一般情况下为0，只有n 和m 维数相同时，D=1。系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式示。 D B A SI C s den s num s G +-== -1)() () (()( 式中，)(s num 表示传递函数阵的分子阵，其维数是p ×m ；)(s den 表示传递函数阵的按s 降幂排列的分母。 2 实验步骤 ① 根据所给系统的传递函数或（A 、B 、C 阵），依据系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式，采用MATLA 的编程。注意：ss2tf 和tf2ss 是互为逆转换的指令； ② 在MATLA 界面下调试程序，并检查是否运行正确。 ③ [] 已知SISO 系统的状态空间表达式为，求系统的传递函数。
, 2010050010000100001 0432143 21u x x x x x x x x ? ? ??? ? ??????-+????????????????????????-=????????????&&&&[]??? ? ? ???????=43210001x x x x y 程序: A=[0 1 0 0;0 0 -1 0;0 0 0 1;0 0 5 0]; B=[0;1;0;-2]; C=[1 0 0 0]; D=0; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1) 程序运行结果: num = 0 den = 0 0 0 从程序运行结果得到:系统的传递函数为: 2 4253 )(s s s S G --= ④ [] 从系统的传递函数式求状态空间表达式。 程序: num =[0 0 1 0 -3]; den =[1 0 -5 0 0]; [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) 程序运行结果: A = 0 5 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0
现代控制理论课程报告
现代控制理论课程总结 学习心得 从经典控制论发展到现代控制论,是人类对控制技术认识上的一次飞跃。现代控制论是用状态空间方法表示,概念抽象,不易掌握。对于《现代控制理论》这门课程，在刚拿到课本的时候，没上张老师的课之前，咋一看，会认为开课的内容会是上学期学的控制理论基础的累赘或者简单的重复，更甚至我还以为是线性代数的复现呢！根本没有和现代控制论联系到一起。但后面随着老师讲课的风格的深入浅出，循循善诱，发现和自己想象的恰恰相反，张老师以她特有的讲课风格，精心准备的ppt 课件，向我们展示了现代控制理论发展过程，以及该掌握内容的方方面面，个人觉得，我们不仅掌握了现代控制理论的理论知识，更重要的是学会了掌握这门知识的严谨的逻辑思维和科学的学习方法，对以后学习其他知识及在工作上的需要大有裨益，总之学习了这门课让我受益匪浅。 由于我们学习这门课的课时不是很多，并结合我们学生学习的需求及所要掌握的课程深入程度，张老师根据我们教学安排需要，我们这学期学习的内容主要有：1.绪论；2.控制系统的状态表达式；3.控制系统状态表达式的解；4.线性系统的能空性和能观性；5.线性定常系统的综合。而状态变量和状态空间表达式、状态转移矩阵、系统的能控性与能观性以及线性定常系统的综合是本门课程的主要学习内容。当然学习的内容还包括老师根据多年教学经验及对该学科的研究的一些深入见解。 在现代科学技术飞速发展中,伴随着学科的高度分化和高度综合,各学科之间相互交叉、相互渗透,出现了横向科学。作为跨接于自然科学和社会科学的具有横向科学特点的现代控制理论已成为我国理工科大学高年级的必修课。 经典控制理论的特点 经典控制理论以拉氏变换为数学工具，以单输入－单输出的线性定常系统为主要的研究对象。将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。通常是采用反馈控制，构成所谓闭环控制系统。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，这是因为它的以下几个特点所决定。 1．经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不能处理输入和输出皆大于1的系统。实际上，大多数工程对象都是多输入－多输出系统，尽管人们做了很多尝试，但是，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；2．经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽然这种设计方法具有实用等很多完整，从而促使现代控制理论的发展：对经典理论的精确化、数学化及理论化。优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效果也
自动控制原理实验报告
自动控制原理 实验报告
实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 实验目的 1.了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。 2.学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。 3.学习阶跃响应的测试方法。 二、实验内容 1.立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T时的跃响应曲线, 并测定其过渡过程时间TS。 2.立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线, 并测定其超调量σ%及过渡过程时间TS。 三、实验原理 1．一阶系统： 系统传递函数为：错误！未找到引用源。 模拟运算电路如图1-1所示： 图1-1 由图得： 在实验当中始终取错误！未找到引用源。, 则错误！未找到引用源。, 错误！未找到引用源。 取不同的时间常数T分别为： 0.25、 0.5、1。 记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量纪录其过渡过程时 ts。（取错误！ 未找到引用源。误差带） 2．二阶系统: 其传递函数为： 错误！未找到引用源。 令错误！未找到引用源。，则系统结构如图1-２所示：
图1-2 根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-３所示： 图1-3 取错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，则错误！未找到引用源。及错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。取不同的值错误！未找到引用源。 , 错误！未找到引用源。, ,观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量σ%（取错误！未找到引用源。误差带）,计算过渡过程时间Ts。 四、实验设备 1.HHMN-1型电子模拟机一台。 2.PC 机一台。 3.数字式万用表一块。 4.导线若干。 五、实验步骤 1.熟悉HHMN-1型电子模拟机的使用方法，将各运算放大器接成比例器，通电调零。 2.断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。 3.将D/A1与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端UO连接（此处连接必须谨慎，不可接错）。线路接好后，经教师检查后再通电。 4.在Windows XP桌面用鼠标双击MATLAB图标后进入，在命令行处键入autolab 进入实验软件系统。 5.在系统菜单中选择实验项目，选择实验一，在窗口左侧选择实验模型，其它步骤察看概述3.2节内容。 6.观测实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，填写实验数据表格，完成实验报告。 7.研究性实验方法。实验者可自行确定典型环节传递函数，并建立系统的SIMULINK模型，验证自动控制理论相关的理论知识。实现步骤可察看概述3.3节内容。
现代控制理论实验报告3
实验三 利用MATLAB 导出连续状态空间模型的离散化模型 实验目的： 1、基于对象的一个连续时间状态空间模型，导出其相应的离散化状态空间模型； 2、通过编程、上机调试，掌握离散系统运动分析方法。 实验原理： 给定一个连续时间系统的状态空间模型： ()()()()()() x t Ax t Bu t y t Cx t Du t =+=+ （3.1） 状态空间模型（3.1）的输入信号()u t 具有以下特性： ()(),u t u kT kT t kT T =≤≤+ （3.2） 已知第k 个采样时刻的状态()x kT 和第k 个采样时刻到第1k +个采样时刻间的输入()()u t u kT =，可得第1k +个采样时刻(1)k T +处的状态 (1)((1))((1))()((1))()k T kT x k T k T kT x kT k T Bu d τττ++=Φ+-+Φ+-? （3.3） 其中： ((1))((1))A k T kT AT k T kT e e +-Φ+-== ((1))((1))A k T k T e ττ+-Φ+-= 由于输入信号在两个采样时刻之间都取常值，故对式（3.3）中的积分式进行一个时间变量替换(1)k T στ=+-后，可得 0((1))()()()AT A x k T e x kT e d Bu kT τ σσ+=+? （3.4） 另一方面，以周期T 对输出方程进行采样，得到 ()()()y kT Cx kT Du kT =+ 在周期采样的情况下，用k 来表示第k 个采样时刻kT 。因此，连续时间状态空间模型
（3.1）的离散化方程可以写成 (1)()()()()()()() x k G T x k H T u k y k Cx k Du k +=+=+ （3.5） 其中： 0()()()AT A G T e H T e d B τσσ==? （3.6） 已知系统的连续时间状态空间模型，MATLAB 提供了计算离散化状态空间模型中状态矩阵和输入矩阵的函数： [G ,H]=c2d(A,B,T) 其中的T 是离散化模型的采样周期。 实验步骤 1、导出连续状态空间模型的离散化模型，采用MA TLAB 的m-文件编程； 2、在MA TLAB 界面下调试程序，并检查是否运行正确。 例3.1 已知一个连续系统的状态方程是 010()()()2541x t x t u t ????=+????--???? 若取采样周期0.05T =秒，试求相应的离散化状态空间模型。 编写和执行以下的m-文件： A=[0 1;-25 –4]; B=[0;1]; [G ,H]=c2d(A,B,0.05) 得到 G= 0.9709 0.0448 -1.1212 0.7915 H= 0.0012 0.0448 因此，所求的离散化状态空间模型是 0.97090.04480.0012(1)()()1.12120.79150.0448x k x k u k ????+=+????-????
自动控制原理第二版 冯巧玲 北航第一章习题及答案
《自动控制原理》习题解答 郑州轻工业学院 电气信息工程学院
第一章习题及答案 1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图 (1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态； (2) 画出系统方框图。 解 （1）负反馈连接方式为：d a ?，c b ?； （2）系统方框图如图解1-1 所示。 1-2 题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。 题1-2图 仓库大门自动开闭控制系统 解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大
门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如图解1-2所示。 1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。 题1-3图 炉温自动控制系统原理图 解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程,控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。