14515

Исследование разомкнутой линейной системы

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа № 1 Исследование разомкнутой линейной системы Цели работы освоение методов анализа одномерной линейной непрерывной системы с помощью среды Matlab Задачи работы ввести модель системы в виде передаточной функции построить эквивал...

Русский

2013-06-06

202.5 KB

35 чел.

Лабораторная работа № 1

Исследование разомкнутой линейной системы

Цели работы

  •  освоение методов анализа одномерной линейной непрерывной системы с помощью среды Matlab

Задачи работы

  •  ввести модель системы в виде передаточной функции
  •  построить эквивалентные модели в пространстве состояний и в форме «нули-полюса»
  •  определить коэффициент усиления в установившемся режиме и полосу пропускания системы
  •  научиться строить импульсную и переходную характеристики, карту расположения нулей и полюсов, частотную характеристику
  •  научиться использовать окно LTIViewer для построения различных характеристик
  •  научиться строить процессы на выходе линейной системы при произвольном входном сигнале  

Оформление отчета

Отчет по лабораторной работе выполняется в виде связного (читаемого) текста в файле формата Microsoft Word (шрифт основного текста Times New Roman, 12 пунктов, через 1,5 интервала, выравнивание по ширине). Он должен включать

  •  название предмета, номер и название лабораторной работы
  •  фамилию и инициалы авторов, номер группы
  •  фамилию и инициалы преподавателя
  •  номер варианта
  •  краткое описание исследуемой системы
  •  результаты выполнения всех пунктов инструкции, которые выделены серым фоном (см. ниже): результаты вычислений, графики, ответы на вопросы.

При составлении отчета рекомендуется копировать необходимую информацию через буфер обмена из рабочего окна среды Matlab. Для этих данных используйте шрифт Courier New, в котором ширина всех символов одинакова.

Инструкция по выполнению работы

Основная часть команд вводится в командном окне среды Matlab. Команды, которые надо применять в других окнах, обозначены иконками соответствующих программ.

Этап выполнения задания

Команды Matlab

  1.  Очистите рабочее пространство Matlab (память).

clear all

  1.  Очистите окно Matlab.

clc

  1.  Посмотрите краткую справку по команде tf.

help tf

  1.  Определите адрес файла, который выполняет эту команду.

which('tf')

  1.  Введите передаточную функцию1  как объект tf.

n = [n2 n1 n0]

d = [1 d2 d1 d0]

f = tf ( n, d )

  1.  Проверьте, как извлечь из этого объекта числитель и знаменатель передаточной функции.

[n1,d1] = tfdata ( f, 'v' )

  1.  Найдите нули и полюса передаточной функции.

z = zero ( f )

p = pole ( f )

  1.  Найдите коэффициент усиления звена в установившемся режиме.

k = dcgain ( f )

  1.  Определите полосу пропускания системы (наименьшую частоту, на которой АЧХ становится меньше, чем дБ).

b = bandwidth ( f )

  1.  Постройте модель системы в пространстве состояния.

f_ss = ss ( f )

  1.  Сделайте так, чтобы коэффициент прямой передачи звена был равен 1.

f_ss.d = 1

  1.  Найдите новый коэффициент усиления звена в установившемся режиме.

k1 = dcgain ( f_ss )

  1.  Как связаны коэффициенты  и ? Почему?

  1.  Постройте модель исходной системы  в форме «нули-полюса».

f_zp = zpk ( f )

  1.  Проверьте, какие переменные есть в рабочем пространстве.

who или whos

(в чем разница?)

  1.  Постройте на графике расположение нулей и полюсов системы.

pzmap ( f )

  1.  Определите коэффициенты демпфирования и собственные частоты для всех элементарных звеньев (первого и второго порядка).

[wc,ksi,p] = damp ( f )

  1.  Запустите модуль LTIViewer.

ltiview

  1.  Загрузите модель f.

FileImport

  1.  Постройте импульсную характеристику (весовую функцию) этой системы.

 

ПКМ – Plot Types - Impulse

  1.  Загрузите модель f_ss.

FileImport

  1.  Проверьте, построена ли импульсная характеристика второй системы?

ПКМ – Systems

  1.  Отключите систему f. Почему одинаковы построенные импульсные характеристики разных систем?

ПКМ – Systems

  1.  Подключите обе системы.

ПКМ – Systems

  1.  Постройте переходные характеристики систем.

 

ПКМ – Plot Types – Step

  1.  Сделайте, чтобы на графике для каждой функции были отмечены:
  •  максимум
  •  время переходного процесса2 
  •  время нарастания (от 10% до 90% установившегося значения)
  •  установившееся значение

 

ПКМ – Characteristics:

  •  Peak Response
  •  Settling Time
  •  Rise Time
  •  Steady State

  1.  Щелкая мышью по меткам-кружкам, выведите на экран рамки с численными значениями этих параметров и расположите их так, чтобы все числа были видны.

  1.  Экспортируйте построенный график в отдельное окно.

 

File – Print to Figure

  1.  Скопируйте график в буфер обмена в формате векторного метафайла.

print -dmeta

  1.  Вставьте график из буфера обмена в отчет (Microsoft Word).

 ПКМ - Вставить

  1.  Закройте окно LTIViewer.

  1.  Создайте массив частот для построения частотной характеристики3 (100 точек в интервале от  до  с равномерным распределением на логарифмической шкале).

w = logspace(-1, 2, 100);

  1.  Рассчитайте частотную характеристику исходной системы 4

r = freqresp ( f, w );

r = r(:);

  1.  … и постройте ее на осях с логарифмическим масштабом по оси абсцисс.

semilogx ( w, abs(r) )

  1.  Скопируйте график в буфер обмена в формате векторного метафайла.

print -dmeta

  1.  Вставьте график из буфера обмена в отчет (Microsoft Word). Объясните, где на графике можно найти коэффициент усиления в статическом режиме и как определить полосу пропускания системы.

 ПКМ – Вставить

  1.  Закройте все лишние окна, кроме командного окна Matlab.

  1.  Постройте сигнал, имитирующий прямоугольные импульсы единичной амплитуды с периодом 4 секунды (всего 5 импульсов).

[u,t] = gensig('square',4);

  1.  Выполните моделирование и постройте на графике сигнал выхода системы f  при данном входе.

lsim (f, u, t)

  1.  Скопируйте график в буфер обмена в формате векторного метафайла.

print -dmeta

  1.  Вставьте график из буфера обмена в отчет (Microsoft Word).

 ПКМ – Вставить

Таблица коэффициентов

Вариант

  1.  

1.0

1.10

0.100  

 3.0000  

 3.1600

 1.2000

  1.  

1.1

1.54

0.495  

 2.8000  

 2.9200

 1.2000

  1.  

1.2

1.08

0.096  

 2.3727  

 2.2264

 0.9091

  1.  

1.3

1.04

0.091  

 2.1909  

 2.0264

 0.9091

  1.  

1.4

-1.54

0.252  

 1.8333  

 1.5278

 0.6944

  1.  

1.5

-0.90

-0.240  

 1.6667  

 1.3611

 0.6944

  1.  

1.6

0.80

-0.224  

 1.3286  

 0.8959

 0.4592

  1.  

1.7

1.36

0.204  

 1.1857  

 0.7673

 0.4592

  1.  

1.8

-1.98

0.432  

 1.2000  

 0.7644

 0.3556

  1.  

1.9

-0.76

-0.399  

 1.3333  

 0.8711

 0.3556

  1.  

2.0

0.60

-0.360  

 1.2000  

 0.7406

 0.2734

  1.  

2.1

1.68

0.315  

 1.3250  

 0.8281

 0.2734

  1.  

2.2

-2.42

0.616  

 1.3059  

 0.7696

 0.2076

  1.  

2.3

-0.46

-0.552  

 1.4235  

 0.8401

 0.2076

  1.  

2.4

0.24

-0.480  

 1.3889  

 0.7531

 0.1543

  1.  

2.5

2.25

0.500  

 1.5000  

 0.8086

 0.1543

  1.  

2.6

0.26

-0.780  

 1.2421  

 0.6139

 0.1108

  1.  

2.7

-0.27

-0.810  

 1.1368  

 0.5717

 0.1108

  1.  

2.8

0.28

-0.840  

 0.8000  

 0.3700

 0.0500

  1.  

2.9

3.19

0.870  

 0.7000  

 0.3500

 0.0500

Контрольные вопросы к защите

  1.  Что такое
  •  передаточная функция
  •  нули и полюса передаточной функции
  •  импульсная характеристика (весовая функция)
  •  переходная функция
  •  частотная характеристика
  •  модель в пространстве состояний
  •  модель вида «нули-полюса»
  •  коэффициент усиления в статическом режиме
  •  полоса пропускания системы
  •  время переходного процесса
  •  частота среза системы
  •  собственная частота колебательного звена
  •  коэффициент демпфирования колебательного звена
  1.  В каких единицах измеряются
  •  коэффициент усиления в статическом режиме
  •  полоса пропускания системы
  •  время переходного процесса
  •  частота среза системы
  •  собственная частота колебательного звена
  •  коэффициент демпфирования колебательного звена
  1.  Как связана собственная частота с постоянной времени колебательного звена?
  2.  Может ли четверка матриц

быть моделью системы в пространстве состояний? Почему? Какие соотношения между матрицами должны выполняться в общем случае?

  1.  Как получить краткую справку по какой-либо команде Matlab?
  2.  В чем разница между командами Matlab

who и whos clear all и clc

  1.  Как ввести передаточную функцию ?
  2.  Как влияет изменение коэффициента прямой передачи (матрицы  в модели в пространстве состояний) на статический коэффициент усиления?
  3.  Какие возможности предоставляет модуль LTIViewer?
  4.  Что можно сказать об импульсной характеристике системы f_ss? Почему она не была построена верно?
  5.  Как найти
  •  коэффициент усиления в установившемся режиме по АЧХ
  •  полосу пропускания системы по АЧХ
  1.  Как скопировать график из окна Matlab в другую программу?
  2.  Как построить массив из 200 значений в интервале от  до  с равномерным распределением на логарифмической шкале?
  3.  Какие величины откладываются по осям на графике АЧХ?


Теория автоматического управления

Отчет по лабораторной работе № 1

Исследование разомкнутой линейной системы

Выполнили:

студенты гр. 23ЭА1 Иванов И.И., Петров П.П.

Проверил:

к.т.н., доцент Поляков К.Ю.

Вариант

20

  1.  Описание системы

Исследуется система, описываемая математической моделью в виде передаточной функции

  1.  Результаты исследования
    •  адрес файла tf.m:

E:\MAT\LAB\toolbox\control\control\@tf\tf.m

  •  нули передаточной функции

 -0.6000

 -0.5000

  •  полюса передаточной функции

 -0.2500 + 0.4330i

 -0.2500 - 0.4330i

 -0.2000          

  •  коэффициент усиления звена в установившемся режиме

   k = 17.4000

  •  полоса пропускания системы

   b = 0.4808 рад/сек

  •  модель системы в пространстве состояний

a =

  -0.7000   -0.1750   -0.0500

   2.0000         0         0

        0    0.5000         0

b =  2

    0

    0

c = 1.4500    0.7975    0.4350

d = 0

  •  статический коэффициент усиления после изменения матрицы

   k1 = 18.4000

связь между k и k1 объясняется тем, что …

  •  модель в форме «нули-полюса»

   2.9 (s+0.6) (s+0.5)

----------------------------

(s+0.2) (s^2  + 0.5s + 0.25)

  •   коэффициенты демпфирования и частоты среза

Полюс передаточной функции

Собственная частота, рад/сек

Постоянная времени, сек

Коэффициент демпфирования

-0.2000

-0.2500 + 0.4330i

-0.2500 - 0.4330i

0.2000

0.5000

0.5000

5

2

2

1.0000

0.5000

0.5000

  •  Импульсные характеристики систем  f и f_ss получились, одинаковые, потому что …

  •  Переходные процессы исходной и модифицированной систем    

  •  амплитудная частотная характеристика

  •  для того, чтобы найти статический коэффициент усиления по АЧХ, надо …  
    •  для того, чтобы найти полосу пропускания по АЧХ, надо …
    •  реакция на сигнал, состоящий из прямоугольных импульсов

1 Все коэффициенты надо взять из таблицы в конце файла.

2 По умолчанию в Matlab время переходного процесса определяется для 2%-ного отклонения от установившегося значения.

3 Точка с запятой в конце команды подавляет вывод на экран результата выполнения. Это удобно при работе с большими массивами.

4 Частотная характеристика возвращается в виде трехмерного массива, в котором каждый элемент имеет 3 индекса: строка, столбец (для многомерных моделей) и номер точки частотной характеристики. Для системы с одним входом и одним выходом команда r = r(:); преобразует эти данные в в обычный одномерный массив.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22353. Ряды Лорана 269.5 KB
  Поэтому обе формулы можно объединить в одну: 7 Полученное разложение 6 функции fz по положительным и отрицательным степеням za с коэффициентами определяемыми по формулам 7 называется лорановским разложением функции fz с центром в точке a; ряд 2 называется правильной а ряд 4 главной частью этого разложения. и в нашем рассуждении могут быть взяты сколь угодно близкими к r и R а q может сколь угодно мало отличаться от 1 то разложение 6 можно считать справедливым для...
22354. Примеры особых точек 2.06 MB
  Функции имеют в начале координат устранимую особую точку. Функции имеют начале координат существенную особую точку. Проверим справедливость теоремы Сохоцкого для функции . Целые функции.
22355. Бесконечно удаленная точка 682.5 KB
  Пусть функция аналитична в некоторой окрестности бесконечно удаленной точки кроме самой точки . В этом случае функция очевидно ограничена и в некоторой окрестности точки . Пусть функция аналитична в полной поскости. Но тогда функция ограничена во всей плоскости: для всех имеем .
22356. Приложение теории вычетов 797 KB
  Напомним что мероморфной называется функция fz все конечные особые точки которой являются полюсами. в любой ограниченной области такая функция может иметь лишь конечное число полюсов то все ее полюсы можно пронумеровать например в порядке не убывания модулей: Будем обозначать главную часть fz в точке т. Если мероморфная функция fz имеет лишь конечное число полюсов и кроме того является либо правильной регулярной ее точкой либо полюсом то эта функция представляется в виде суммы своих главных частей 3 и...
22357. Обращение степенных рядов 217.5 KB
  Выберем число столь малым чтобы в круге функция обращалась в нуль только в точке . Каждое значение из круга функция принимает в круге только один раз. В самом деле на окружности выполняется неравенство и по теореме Руше функция имеет в круге столько же нулей сколько и функция т. Итак пусть тот круг в котором функция принимает каждое значение ровно один раз а область плоскости ограниченная кривой кривая является простой кривой т.
22358. Аналитическое продолжение 680.5 KB
  Представляет большой интерес вопрос нельзя ли расширить область определения этой функции сохранив регулярность. Функцию регулярную в области содержащей и совпадающую с регулярной в области называют аналитическим продолжением функции на область . Если аналитическое продолжение регулярной функции в данную более широкую область определения возможно то оно возможно лишь единственным образом. В самом деле пусть существуют два аналитических продолжения и функции регулярной в области в одну и туже область .
22359. Римановы поверхности 55 KB
  Пусть дана многозначная аналитическая функция fz определенная в области D комплексной плоскости. Условимся рассматривать области Dk из которых в процессе аналитического продолжения строится область D как отдельные листы изготовленные в таком количестве экземпляров сколько значений имеет функция в данной области D. Пусть области D0 и D1 имеют общие части причем в одних из этих частей значения f0z и f1z совпадают а в других различны. Поверхность образованную из отдельных областей определения ветвей многозначной аналитической...
22360. Конформные отображения. Понятие конформного отображения 1.86 MB
  Предположим что задано непрерывное и взаимно однозначное отображение области D на некоторую область . Геометрически эта замена равносильна замене отображения отображением 3 которое называется главной линейной частью отображения 1. Отображение 3 можно переписать в виде 4 где: 5 не зависят от x и y. Отображение 4 представляет собой так называемое линейное аффинное преобразование плоскости .
22361. Преобразование Лапласа и ее доказательство 382 KB
  Это утверждение вытекает непосредственно из неравенства. Отсда следует, что, если, оставаясь внутри любого угла , где сколь угодно мало, причем эта сходимость равномерна относительно. Если, в частности, аналитическая...