自动控制原理MATLAB仿真实验指导书(4)

H=

10 50 0 0 1 35 24 0 0 10 50 0 0 1 35 24

由系统返回的hurwitz矩阵可以看出，系统是稳定的。与前面的分析结果完全一致。 注意：routh（）和hurwitz（）不是MATLAB中自带的功能函数，须加载ctrllab3.1文件夹（自编）才能运行。

三、实验内容

1．观察函数step( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 s2?3s?7 G(s)?4

s?4s3?6s2?4s?1绘制出系统的阶跃响应曲线？ 2．对典型二阶系统

?n2 G(s)?2s?2??ns??n21）分别绘出?n?2(rad/s)，?分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数?对系统的影响，并计算?=0.25时的时域性能指标?p,tr,tp,ts,ess。

2）绘制出当?=0.25, ?n分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数?n对系统的影响。 3．系统的特征方程式为2s4?s3?3s2?5s?10?0，试判别该系统的稳定性。 四、实验报告

1．根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的MATLAB运算结果。 2. 记录各种输出波形，根据实验结果分析参数变化对系统的影响。 3．总结判断闭环系统稳定的方法，说明增益K对系统稳定性的影响。 4．写出实验的心得与体会。 五、预习要求

1. 预习实验中基础知识，运行编制好的MATLAB语句，熟悉MATLAB指令及step( )和impulse( )函数。

2. 结合实验内容，提前编制相应的程序。 3．思考特征参量?和?n对二阶系统性能的影响。 4．熟悉闭环系统稳定的充要条件及学过的稳定判据。

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实验三 线性系统的根轨迹

一、实验目的

1. 熟悉MATLAB用于控制系统中的一些基本编程语句和格式。 2. 利用MATLAB语句绘制系统的根轨迹。 3. 掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法。 4. 掌握系统参数变化对特征根位置的影响。 二、基础知识及MATLAB函数

根轨迹是指系统的某一参数从零变到无穷大时，特征方程的根在s平面上的变化轨迹。这个参数一般选为开环系统的增益K。课本中介绍的手工绘制根轨迹的方法，只能绘制根轨迹草图。而用MATLAB可以方便地绘制精确的根轨迹图，并可观测参数变化对特征根位置的影响。

假设系统的对象模型可以表示为

b1sm?b2sm?1???bms?bm?1 G(s)?KG0(s)?Kns?a1sn?1???bn?1s?an系统的闭环特征方程可以写成

1?KG0(s)?0

对每一个K的取值，我们可以得到一组系统的闭环极点。如果我们改变K的数值，则可以得到一系列这样的极点集合。若将这些K的取值下得出的极点位置按照各个分支连接起来，则可以得到一些描述系统闭环位置的曲线，这些曲线又称为系统的根轨迹。

绘制系统的根轨迹rlocus（）

MATLAB中绘制根轨迹的函数调用格式为：

rlocus(num,den) 开环增益k的范围自动设定。 rlocus(num,den,k) 开环增益k的范围人工设定。 rlocus(p,z) 依据开环零极点绘制根轨迹。 r=rlocus(num,den) 不作图，返回闭环根矩阵。

[r,k]=rlocus(num,den) 不作图，返回闭环根矩阵r和对应的开环增益向量k。 其中，num,den分别为系统开环传递函数的分子、分母多项式系数，按s的降幂排列。K为根轨迹增益，可设定增益范围。

例3-1：已知系统的开环传递函数G(s)?K?用语句如下：

num=[1 1]; %定义分子多项式 den=[1 4 2 9]; %定义分母多项式 rlocus (num,den) %绘制系统的根轨迹 grid %画网格标度线

xlabel('Real Axis'),ylabel('Imaginary Axis') %给坐标轴加上说明 title('Root Locus') %给图形加上标题名 则该系统的根轨迹如图3-1（a）所示。

若上例要绘制K在（1，10）的根轨迹图，则此时的matlab的调用格式如下，对应的根轨迹如图3-1（b）所示。

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(s?1)，绘制系统的根轨迹的matlab的调

s3?4s2?2s?9num=[1 1]; den=[1 4 2 9];

k=1:0.5:10; rlocus (num,den,k)

（a） 完整根轨迹图形 （b）特定增益范围内的根轨迹图形

图3-1 系统的根轨迹图形

1）确定闭环根位置对应增益值K的函数rlocfind（）

在MATLAB中，提供了rlocfind函数获取与特定的复根对应的增益K的值。在求出的根轨迹图上，可确定选定点的增益值K和闭环根r（向量）的值。该函数的调用格式为：

[k,r]=rlocfind(num,den)

执行前，先执行绘制根轨迹命令rlocus（num,den），作出根轨迹图。执行rlocfind命令时，出现提示语句“Select a point in the graphics window”，即要求在根轨迹图上选定闭环极点。将鼠标移至根轨迹图选定的位置，单击左键确定，根轨迹图上出现“+”标记，即得到了该点的增益K和闭环根r的返回变量值。

s2?5s?6例3-2：系统的开环传递函数为G(s)?K3，试求：（1）系统的根轨迹；（2）系统

s?8s2?3s?25?稳定的K的范围；（3）K=1时闭环系统阶跃响应曲线。则此时的matlab的调用格式为：

G=tf([1,5,6],[1,8,3,25]); rlocus (G); %绘制系统的根轨迹

[k,r]=rlocfind(G) %确定临界稳定时的增益值k和对应的极点r G_c=feedback(G,1); %形成单位负反馈闭环系统 step(G_c) %绘制闭环系统的阶跃响应曲线

则系统的根轨迹图和闭环系统阶跃响应曲线如图3-2所示。

其中，调用rlocfind（）函数，求出系统与虚轴交点的K值，可得与虚轴交点的K值为0.0264，故系统稳定的K的范围为K?(0.0264,?)。

2）绘制阻尼比?和无阻尼自然频率?n的栅格线sgrid( )

当对系统的阻尼比?和无阻尼自然频率?n有要求时，就希望在根轨迹图上作等?或等?n线。matlab中实现这一要求的函数为sgrid( )，该函数的调用格式为：

sgrid(?,?n) 已知?和?n的数值，作出等于已知参数的等值线。 sgrid(‘new’) 作出等间隔分布的等?和?n网格线。 例3-3：系统的开环传递函数为G(s)?1，由rlocfind函数找出能产生主导极点阻尼

s(s?1)(s?2)- 13 -

?=0.707的合适增益，如图3-3(a)所示。

G=tf(1,[conv([1,1],[1,2]),0]); zet=[0.1:0.2:1];wn=[1:10]; sgrid(zet,wn);hold on;rlocus(G) [k,r]=rlocfind(G)

Select a point in the graphics window selected_point = -0.3791 + 0.3602i k = 0.6233 r =

-2.2279 -0.3861 + 0.3616i -0.3861 - 0.3616i

（a）根轨迹上点的选择 （b）闭环系统阶跃响应

图3-3 由根轨迹技术设计闭环系统

（a）根轨迹图形 （b）K=1时的阶跃响应曲线

图3-2 系统的根轨迹和阶跃响应曲线

同时我们还可以绘制出该增益下闭环系统的阶跃响应，如图3-3(b)所示。事实上，等?或等?n线在设计系补偿器中是相当实用的，这样设计出的增益K=0.6233将使得整个系统的阻尼比接近0.707。由下面的MATLAB语句可以求出主导极点，即r(2.3)点的阻尼比和自然频率为

G_c=feedback(G,1);

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