一阶系统及二阶系统时域特性MatLab仿真实验报告3977.pdf

### 一阶系统及二阶系统时域特性MatLab仿真实验报告 #### 实验目的 本实验旨在通过具体的系统设计及理论分析方法，帮助学生深入理解自动控制系统的设计与分析方法，并熟悉Matlab这一仿真分析工具。具体目标包括： 1. **加深对自动控制系统设计与分析方法的理解**：通过实验操作让学生能够直观地看到理论知识在实际中的应用。 2. **熟练掌握Matlab软件**：学习如何利用Matlab进行系统建模和仿真，以便于更好地理解和分析系统行为。 3. **一阶系统时域特性研究**：掌握一阶系统的时域特性，并理解时间常数T对系统性能的具体影响。 4. **二阶系统时域特性探究**：掌握二阶系统的时域特性，并探究不同参数（如阻尼比ξ）变化对系统性能的影响。 #### 实验设备 本次实验所需设备包括： - **计算机**：用于运行Matlab软件进行仿真分析。 - **Matlab仿真软件**：作为主要的仿真工具。 #### 实验内容 本实验分为两个主要部分：一阶系统时域特性的研究与二阶系统时域特性的研究。 1. **一阶系统时域特性** - **系统模型**：采用一阶系统模型\[ G(s) = \frac{1}{1 + Ts} \]，其中\(T\)为时间常数。 - **仿真内容**：通过改变时间常数\(T\)的值（例如0.4、1.2、2.0、2.8、3.6、4.4），观察并分析不同\(T\)值下系统对单位阶跃输入的响应情况。 2. **二阶系统时域特性** - **二阶线性系统模型**：采用模型\[ G(s) = \frac{16}{s^2 + 4s + 16} \]，分析系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应以及单位正弦输入响应。 - **微分负反馈位置随动系统**：基于该系统模型，计算不同微分反馈时间常数τ（0、0.0125、0.025）下的系统响应性能指标（如上升时间、峰值时间等）。 - **阻尼比ξ对系统响应的影响**：对于二阶系统\[ G(s) = \frac{36}{s^2 + 12s + 36} \]，当阻尼比ξ分别为0.1、0.2、0.5、0.7、1.0、2.0时，仿真单位阶跃响应并分析ξ值的变化如何影响系统的响应性能。 #### 实验要求 - 学生需严格遵守实验室规定，独立完成实验内容。 - 在实验过程中遇到问题时，应尝试独立解决，在教师指导下逐步分析和解决问题。 - 完成相关实验后，记录实验程序、响应曲线及性能指标，并进行实验结果的比较与分析。 - 分析系统的动态特性，包括但不限于响应速度、稳定性等方面。 - 撰写详细的实验报告并按时提交。 #### Matlab编程仿真与实验分析示例 **一阶系统时域特性** **实验代码**：假设使用了以下代码进行仿真分析： ```matlab % 设置时间常数T T_values = [0.4 1.2 2.0 2.8 3.6 4.4]; for i = 1:length(T_values) T = T_values(i); num = 1; den = [T 1]; sys = tf(num, den); % 创建系统模型 step(sys); % 绘制单位阶跃响应 hold on; % 保持图形 end legend('T=0.4','T=1.2','T=2.0','T=2.8','T=3.6','T=4.4'); title('一阶系统单位阶跃响应'); xlabel('时间 (秒)'); ylabel('响应'); ``` **运行曲线**：（此处未提供实际图表） **实验分析**：通过观察不同时间常数\(T\)下的一阶系统单位阶跃响应曲线，可以明显看出，随着\(T\)值的增加，系统响应变得更加缓慢，即达到稳态的时间更长。这表明时间常数\(T\)对系统性能有直接影响，时间常数越大，系统的惯性越大，响应越慢。 **二阶系统时域特性** **2.a 实验代码**：假设使用了以下代码进行仿真分析： ```matlab num = 16; den = [1 4 16]; sys = tf(num, den); subplot(3,1,1); impulse(sys); % 单位脉冲响应 subplot(3,1,2); step(sys); % 单位阶跃响应 subplot(3,1,3); lsim(sys, sin([0:0.1:10])); % 单位正弦输入响应 ``` **运行曲线**：（此处未提供实际图表） **实验分析**：从单位脉冲响应和单位阶跃响应的仿真结果可以看出，二阶系统的响应表现为衰减振荡的形式。而对于单位正弦输入响应，则显示了输出信号相对于输入信号的相位滞后现象。 **2.c 实验代码**：假设使用了以下代码进行仿真分析： ```matlab % 阻尼比ξ的取值 xi_values = [0.1 0.2 0.5 0.7 1.0 2.0]; for i = 1:length(xi_values) xi = xi_values(i); num = 36; den = [1 12*xi 36]; sys = tf(num, den); step(sys); hold on; end legend('ξ=0.1','ξ=0.2','ξ=0.5','ξ=0.7','ξ=1.0','ξ=2.0'); title('二阶系统单位阶跃响应'); xlabel('时间 (秒)'); ylabel('响应'); ``` **运行曲线**：（此处未提供实际图表） **实验分析**：通过对不同阻尼比ξ值下二阶系统单位阶跃响应的观察，我们可以得出以下结论：当ξ小于1时（欠阻尼状态），系统响应呈现出明显的振荡特性；当ξ等于1时（临界阻尼状态），响应表现为较快的非振荡形式；而当ξ大于1时（过阻尼状态），虽然响应同样是非振荡的，但达到稳态的时间更长。这些分析结果有助于我们深入了解阻尼比ξ对二阶系统性能的具体影响。