青岛理工大学控制系统仿真实验报告.doc

青岛理工大学自动化工程学院实验报告课程： 控制系统仿真 专业 自动化 班级 121 姓名 小星星 学号 201228122 指导教师： 赵宏才 时间： 2015 年 10 月 19 日 10 月 28 日目 录实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算1实验二 MATLAB语言的程序设计6实验三 MATLAB的图形绘制9实验四 采用SIMULINK的系统仿真 14实验五 控制系统的频域与时域分析17实验六 控制系统PID校正器设计法23实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算一、实验时间及地点：实验时间：2015.10.19上午8:309:30实验地点：黄岛老校区计算中心二、实验目的：1 熟悉MATLAB开发环境2 掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算三、实验内容：1、 新建一个文件夹（自己的名字命名，在机器的最后一个盘符）2、 启动MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。3、 保存，关闭对话框4、 学习使用help命令，例如在命令窗口输入help eye，然后根据帮助说明，学习使用指令eye（其它不会用的指令，依照此方法类推）5、 学习使用clc、clear，观察command window、command history和workspace等窗口的变化结果。6、 初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如exerc1、exerc2、 exerc3），学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。注意：每一次M-file的修改后，都要存盘。练习A：（1） help rand，然后随机生成一个26的数组，观察command window、command history和workspace等窗口的变化结果（2） 学习使用clc、clear，了解其功能和作用（3） 输入一个2维数值数组，体会标点符号的作用（空格和逗号的作用）。（4） 一维数组的创建和寻访，创建一个一维数组（18）X，查询X数组的第2个元素，查询X数组的第3个元素到第6个元素，查询X数组的第5个元素到最后一个元素，查询X数组的第3、2、1个元素，查询X数组中5元素，将X数组的第2个元素重新赋值为111，实例expm1。（5） 二维数组的创建和寻访，创建一个二维数组（48）A，查询数组A第2行、第3列的元素，查询数组A第2行的所有元素，查询数组A第6列的所有元素，查询数组A按列拉长形成新的数组B(18)，查询数组A按行拉长形成新的数组C(18)，以全元素赋值的方式对数组A赋值。（6） 两种运算指令形式和实质内涵的比较。设有3个二维数组A24，B24，C22，写出所有由2个数组参与的合法的数组运算和矩阵指令（7） 学习使用表8列的常用函数（通过help方法）（8） 学习使用表9数组操作函数（9） 学习字符串的创建，a=This is an example. 串数组的大小size(a) 串数组的元素标识a14=a(1:4)ra=a(end:-1:1) 对字符串ASCLL码的数组操作w=find(a=a&ahelp rand %用help指令学习rand的用法rand - Uniformly distributed pseudorandom numbers This MATLAB function returns a pseudorandom scalar drawn from the standard uniform distribution on the open interval (0,1). r = rand r = rand(n) r = rand(sz1,.,szN) r = rand(sz) r = rand(classname) r = rand(n,classname) r = rand(sz1,.,szN,classname) r = rand(sz,classname) r = rand(like,p) r = rand(n,like,p) r = rand(sz1,.,szN,like,p) r = rand(sz,like,p) rand(2,6) %随机生成一个26的数组ans = 0.8147 0.1270 0.6324 0.2785 0.9575 0.15760.9058 0.9134 0.0975 0.5469 0.9649 0.9706 clear %清除命令窗口 1 2;3 4 %输入一个二维数组ans = 1 2 3 4 1,2;3,4 %将空格改为逗号效果一致ans = 1 2 3 4 a=1 2 3 4;5 6 7 8; b=a(2:2,3:4) %逗号前面是行，后面是列，冒号前后的数表示所选范围b = 7 8 eye(3) %产生单位矩阵ans = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 magic(3) %产生魔方矩阵ans = 8 1 6 3 5 7 4 9 2 flipud(ans) %以数组“水平中线”为对称轴，交换上下对称位置上的元素ans = 4 9 2 3 5 7 8 1 6 rot90(ans) %逆时针旋转数组90ans = 2 7 6 9 5 1 4 3 8 a=helloa =hello b=size(a) %字符串a的大小为1x5b = 1 5 syms x y p k a b c %创建符号对象 e1=x2*a*c*y+a*p*x2+b*p*x+c*k*y+k*p %创建函数命令 e1 =k*p + a*p*x2 + c*k*y + b*p*x + a*c*x2*y e2=c*y+p e2 =p + c*y e1/e2 ans =(k*p + a*p*x2 + c*k*y + b*p*x + a*c*x2*y)/(p + c*y) a=1 2a = 1 2 c=reshape(a,2,1) %改变数组a的行数和列数c = 1 2五、实验结果及讨论 1.熟悉了MATLAB的基本软件操作。 2.通过本次实验熟悉了 MATLAB 的开发环境掌握了矩阵、变量、表达式的各种运算了解了*与.*、/与、与.等区别以及绝对值、开方 e的阶乘、正弦、正切的运算的符号。 3.让我明白了MATLAB的实用性。实验二 MATLAB语言的程序设计一、实验时间及地点：实验时间：2015.10.19上午8:309:30实验地点：黄岛老校区计算中心二、实验目的：1、 熟悉MATLAB程序编辑与设计环境2、 掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法3、 函数文件的编写和设计4、 了解和熟悉跨空间变量传递和赋值三、实验内容：练习A1、 熟悉MATLAB程序编辑与设计环境 2、 用for循环语句实现求1100的和3、 用for循环语句实现编写一个求阶乘的函数文件练习B思考题4、 已知一维数组、，用for循环语句实现。求和函数可用5、 （1）编写求解一维数组平均值的函数文件。（2）编写求解二维数组平均值的函数文件。四、实验操作过程（实验说明）1 用for循环语句实现求1100的和，函数名为theSec().程序： a=0;for i=1:100 a=i+a; endfprintf(%dn,a)执行结果： theSec %求1100的和50502 用for循环语句实现编写一个求阶乘的函数文件，函数名为jiex(x). 程序： function jiex(x)a=1;for i=1:x a=a*i;endfprintf(%dn,a)执行结果： jiex(4) % 求4的阶乘243. 已知一维数组、，用for循环语句实现。求和，函数名用ABsum()程序： function y=ABsum()a=2,4,5,8,10;b=4,9,6,7,4;n=5;sum=0;for i=1:n sum=sum+a(1,i)*b(1,n-i+1);endy=sum; 执行结果： ABsum()ans =1784. 编写求解任意数组平均值的函数文件，函数名为avg(f).程序： function y=avg(f)m,n=size(f);sum=0;for i=1:m for j=1:n sum=sum+f(i,j); endendy=sum/(m*n);执行结果： a=1,2,3,4;5,6,7,8 %定义一个数组a = 1 2 3 4 5 6 7 8 avg(2*a) %求数组2*a的平均值ans = 9五、实验结果及讨论1. 编程语句：循环语句有for循环和while循环，我习惯使用for循环，使用格式如下：for 循环变量=表达式1（初值）：表达式2（增量）：表达式3（终值）循环语句组end条件判断语句if语句格式为：if表达式执行语句end 实验三 MATLAB的图形绘制一、实验时间及地点：实验时间：2015.10.21上午8:309:30实验地点：黄岛老校区计算中心二、实验目的：1、学习MATLAB图形绘制的基本方法；2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令；3、熟悉掌握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注；4、掌握plot、subplot的指令格式和语法。三、实验内容：练习A【1】 二维曲线绘图基本指令演示。t=(0:pi/50:2*pi);k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,Y) plot指令基本操作演示【2】用图形表示连续调制波形 及其包络线。t=(0:pi/100:pi);y1=sin(t)*1,-1;y2=sin(t).*sin(9*t);t3=pi*(0:9)/9;y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,r:,t,y2,b,t3,y3,bo)axis(0,pi,-1,1) 【3】通过绘制二阶系统阶跃响应，综合演示图形标识。本例比较综合，涉及的指令较广。请耐心读、实际做、再看例后说明，定会有匪浅收益。clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);tt=t(find(abs(y-1)0.05);ts=max(tt);plot(t,y,r-,LineWidth,3)axis(-inf,6*pi,0.6,inf)set(gca,Xtick,2*pi,4*pi,6*pi,Ytick,0.95,1,1.05,max(y)grid ontitle(it y = 1 - e -alphatcosomegat)text(13.5,1.2,fontsize12alpha=0.3)text(13.5,1.1,fontsize12omega=0.7)hold on;plot(ts,0.95,bo,MarkerSize,10);hold offcell_string1=fontsize12uparrow;cell_string2=fontsize16 fontname隶书镇定时间;cell_string3=fontsize6 ;cell_string4=fontsize14rmt_s = num2str(ts);text(ts,0.85,cell_string)xlabel(fontsize14 bft rightarrow)ylabel(fontsize14 bfy rightarrow) 二阶阶跃响应图的标识四、实验操作过程（实验说明）1. 二维曲线绘图基本指令演示： t=(0:pi/50:2*pi);k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,Y)执行结果：（图3-1） 图3-12. 用图形表示连续调制波形 及其包络线： t=(0:pi/100:pi);y1=sin(t)*1,-1;y2=sin(t).*sin(9*t);t3=pi*(0:9)/9;y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,r:,t,y2,b,t3,y3,bo)axis(0,pi,-1,1)执行结果：（图3-2） 图3-23. 通过绘制二阶系统阶跃响应，综合演示图形标识： clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);tt=t(find(abs(y-1)0.05);ts=max(tt);plot(t,y,r-,LineWidth,3)axis(-inf,6*pi,0.6,inf)set(gca,Xtick,2*pi,4*pi,6*pi,Ytick,0.95,1,1.05,max(y)grid ontitle(it y = 1 - e -alphatcosomegat)text(13.5,1.2,fontsize12alpha=0.3)text(13.5,1.1,fontsize12omega=0.7)hold on;plot(ts,0.95,bo,MarkerSize,10);hold offcell_string1=fontsize12uparrow;cell_string2=fontsize16 fontname隶书镇定时间;cell_string3=fontsize6 ;cell_string4=fontsize14rmt_s = num2str(ts);text(ts,0.85,cell_string)xlabel(fontsize14 bft rightarrow)ylabel(fontsize14 bfy rightarrow)执行结果：（图3-3） 图3-3五、实验结果及讨论 1，通过这次实验，我学会了MATLAB 图形绘制的基本方法，掌握 了 MATLAB 图形绘制程序编辑的基本指令，而且还懂得了利用 MATLAB 图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标 注。 2，感觉到了MATLAB 的强大，而且很实用。 实验四 采用SIMULINK的系统仿真一、实验时间及地点：实验时间：2015.10.21上午8:309:30 实验地点：黄岛老校区计算中心二、实验目的：1、熟悉SIMULINK 工作环境及特点2、掌握线性系统仿真常用基本模块的用法3、掌握SIMULINK 的建模与仿真方法4、子系统的创建和封装设计1、 实验内容：练习A1、SIMULINK仿真实际应用，建立双环调速的电流环系统的方框图模型，模型参数设为Ks=44；Ts=0.00167；Ta=0.017；R=1；Tm=0.075；Ce=0.1925；Kt=0.01178；T1=0.049；T2=0.088，(1)在Simulink集成环境下建立模型，在给定信号作用点处输入单位给定阶跃响应信号，0.3秒后在扰动信号点输入单位阶跃响应信号。并绘制相应的响应曲线(2)计算仿真结果的超调量、上升时间、调节时间、稳态误差。(3)设计PID调节器替代图中的比例积分调节器，调节，用使系统满足超调量15%，上升时间0.3s，调节时间0.4s的要求。(4)要求对加入的PID控制器封装成一个模块使用封装步骤1 创建子系统封装步骤2 封装子系统封装步骤3 设置参数封装步骤4 修改和设计模块图标四、实验操作过程（实验说明）1. 画出双环调速的电流环系统的方框图模型，并在Simulink集成环境下建立模型：（图4-1） 图4-12. 绘制相应的响应曲线：（图4-2） 图4-2五、实验结果及讨论1、SIMULINK的基本操作：1） 启动SIMULINK软件包：可以在MATLAB命令窗口键入“SIMULINK”命令，回车后将弹出SIMULINK图形库浏览器（SIMULINK LIBRARY BREWSER）界面，也可以选择“SIMULINKLIBRARY BREWSER”同样可以打开该界面；2） SIMULINK用户接口：SIMULINK仿真模型编译器界面有菜单栏、工具栏、状态栏等，通过这些接口可以调整仿真运行时间，仿真模式等，可以查看仿真运行进度等信息。3） 构建SIMULINK框图：用鼠标将模块库中的所需的模块拖至系统模型中，然后添加连线将各个模块连接起来，模型中可以包含WORKSPACE中已定义的变量；4） 运行：点击仿真模型编译器界面中的运行按钮，系统会在输入信号的作用下输出，通过SCOPE模块可以查看输出响应曲线，通过TO WORKSPACE模块可以将输出及时间信号送至工作区。实验五 控制系统的频域与时域分析一、实验时间及地点：实验时间：2015.10.28上午8:30-9:30 实验地点：黄岛老校区计算中心二、实验目的：1、掌握控制系统数学模型的基本描述方法和相互转化2、了解控制系统的稳定性分析方法3、掌握控制系统频域与时域分析基本方法三、实验内容：练习A：1、表示下列传递函数模型,并转化成其他的数学模型(1)(2)(3)(4)2、 一个单位负反馈开环传递函数为试绘出系统闭环的根轨迹图；并在跟轨迹图上任选一点，试计算该点的增益及其所有极点的位置四、实验操作过程（实验说明） num=4,-2num = 4 -2 den=1 0 2 5den = 1 0 2 5 Gs=tf(num,den)Gs = 4 s - 2 - s3 + 2 s + 5 Continuous-time transfer function. num=0.5; den=1 2.5 1; Gs=tf(num,den)Gs = 0.5 - s2 + 2.5 s + 1 Continuous-time transfer function. k=1; num=k; den=2 4.5 1 0; Gs=tf(num,den)Gs = 1 - 2 s3 + 4.5 s2 + s Continuous-time transfer function. Ms=Gs/(Gs+1)Ms = 2 s3 + 4.5 s2 + s - 4 s6 + 18 s5 + 24.25 s4 + 11 s3 + 5.5 s2 + s Continuous-time transfer function. rlocus(Ms) %绘制系统闭环的根轨迹图（图5-1） 图5-1 pzmap(Ms) %绘制零极点图（5-2） 图5-2 p,z=pzmap(Ms)p = 0.0000 + 0.0000i -2.1254 + 0.0000i -2.0000 + 0.0000i -0.0623 + 0.4810i -0.0623 - 0.4810i -0.2500 + 0.0000iz = 0 -2.0000 -0.2500 k,poles=rlocfind(Ms)Select a point in the graphics windowselected_point = 0.5795 + 0.4927ik = 4.1162poles = 0.0000 + 0.0000i -2.4675 + 0.0000i -2.0000 + 0.0000i 0.1088 + 1.0124i 0.1088 - 1.0124i -0.2500 + 0.0000i五、实验结果及讨论1. MATLAB通过函数tf(num,den)建立传递函数模型，通过zpk(z,p,k)建立零极点增益模型，通过ss(A,B,C,D)建立连续系统状态空间模型；2. MATLAB通过ss2tf(), ss2zp(), tf2ss(), tf2zp(), zp2