控制系统CAD与数字仿真实验指导书(2014新版).doc

控制系统CAD及数字仿真实验指导书控制系统CAD及数字仿真实验指导书 自动化系目 录第一章 前言. .2第二章 控制系统CAD及数字仿真实验1数据处理方法的MATLAB实现.42控制系统建模的MATLAB实现.53PID校正设计的MATLAB实现.64微分方程的Simulink仿真. .75S函数的编写和Simulink仿真. . . . .96图像处理系统的算法和界面设计. . . .10第一章 前 言本实验课程是与学科基础选修课程控制系统CAD及数字仿真相配合的实践课程。作为联系自动控制理论、自动控制系统设计、课程设计、毕业设计等教学环节的仿真技术类课程，其不仅可以使学生加强课程的学习效果，而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具，有效加强教学中的实践性教学环节，提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。开设本课程的目的，主要是培养学生运用MATLAB语言进行编程和仿真的能力，为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。一、上机实验要求1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱与SIMULINK软件包。2、能根据有关控制算法，编写有关的MATLAB程序。3、能对实验结果进行分析和讨论，得到相关的实验结论。二、上机实验的基本程序：1、明确实验任务。2、提出实验方案。3、编制有关的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型。4、进行实验操作，作好观测和记录，保存有关的实验数据。5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。在进行上机实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。要做好各个上机实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。实验一 数据处理方法的MATLAB实现一、实验目的学会在MATLAB环境下对已知的数据进行处理。二、实验方法1. 求取数据的最大值或最小值。2. 求取向量的均值、标准方差和中间值。3在MATLAB环境下，对已知的数据分别进行曲线拟合和插值。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1在MATLAB环境下，利用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取数据的最大值或最小值，以及向量的均值、标准方差和中间值。2在MATLAB环境下，选择合适的曲线拟合和插值方法，编写程序，对已知的数据分别进行曲线拟合和插值。x0.011.012.013.014.01y2.54377.88849.624211.670111.9727x5.016.017.018.019.01y13.218914.267914.613415.404515.0805五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，将已知的数据存到数据文件mydat.dat中。2. 然后用load命令从数据文件mydat.dat中把数据调到MATLAB的工作空间中来。3. 在MATLAB环境下，利用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取数据的最大值或最小值，以及向量的均值、标准方差和中间值。4. 在MATLAB环境下，编写程序，对已知的数据进行曲线拟合和插值。 六、问题与讨论1、曲线拟合和插值有什么区别？常用的曲线拟合和插值方法有哪几种，如何用MATLAB函数实现？2、对数据进行处理有什么实际意义？ 3、谈谈实验体会。实验二 控制系统建模的MATLAB实现一、实验目的学会在MATLAB环境下对控制系统进行建模。二、实验方法1.线性控制系统的建模和模型间的相互转换。采用tf()、ss()等函数建立子系统模型，可以采用ss2tf()、tf2ss()等函数来实现模型间的相互转换。采用feedback()、series()等函数进行子系统间的连接。2.利用BP神经网络对非线性系统进行建模。研究MATLAB环境下，BP神经网络建立、训练和仿真的方法；利用BP神经网络实现对非线性系统的建模。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1定摆长起重机运动控制系统动态结构图如下图所示，其中，小车的质量，吊重质量，绳长，摩擦阻尼系数为，重力加速度取。在MATLAB环境下对定摆长起重机运动控制系统进行建模。 2基于BP网络的肼与过氧化氢反应过程的建模利用BP神经网络技术模拟肼与过氧化氢的反应过程，以寻找最佳反应条件， 用于处理肼类废水。实验数据如下表所示：五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，首先用tf()函数建立起重机运动控制系统中子系统的模型，然后用feedback()函数建立起重机运动控制系统的模型。2. 在MATLAB环境下，编写程序进行BP神经网络的创建。3. 在MATLAB环境下，编写程序利用肼与过氧化氢反应过程的数据对BP神经网络进行训练。4. 在MATLAB环境下，编写程序对BP神经网络进行测试。 六、问题与讨论1、控制系统建模的基本方法有哪些？采用机理模型法的前提是什么？2、实验中，所建立BP网络的主要参数有哪些，参数设置为多少？ 3、谈谈实验体会。实验三 PID校正设计的MATLAB实现一、实验目的学会在MATLAB环境下编写程序来研究PID控制系统中参量、变化时对于系统校正作用的影响；学会编写程序分别用Ziegler-Nichols整定公式和稳定边界法整定公式计算系统 P、PI和PID调节器参数。二、实验方法1. 研究比例控制作用：编写程序研究在不同的值下，闭环系统的单位阶跃响应曲线。2. 研究积分控制作用：令，编写程序研究在不同的值下, 闭环系统的单位阶跃响应曲线。3. 研究微分控制作用：令，编写程序分别研究在不同的值下, 闭环系统的单位阶跃响应曲线。4. 编写程序调用wendingPID.m函数，实现用稳定边界法整定公式计算系统 P、PI和PID调节器参数。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1已知一过程控制系统如下图所示,其中，试分析系统调节器分别采用比例、积分、微分控制对系统的影响。2. 对上述系统，用稳定边界法函数计算系统调节器用作P、PI、PID校正时的参数,并给出系统的阶跃响应曲线。五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，编写函数wendingPID.m。2. 编写有关程序，分析实验结果。 六、问题与讨论1、分析比例、积分、微分控制对系统的影响？2、什么是稳定边界法？如何用稳定边界法进行PID校正设计？3、谈谈实验体会。实验四 微分方程的Simulink仿真一、实验目的了解MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下仿真模型的搭建方法；掌握SIMULINK下模型参数和仿真参数的设置方法；学习SIMULINK封装技术子系统。二、实验方法1.在MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下建立起描述该微分方程的模型。2.对有关模块的参数进行设置后，启动仿真，给出仿真结果。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1考虑Van der Pol方程, 其中, 初始值为，。用Simulink搭建系统的仿真模型，如下所示。2考虑简单的线性微分方程：且方程的初始值为 ，用Simulink搭建系统的仿真模型。五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，建立Van der Pol方程的仿真模型。2. 设置仿真模型的有关参数后，进行仿真，给出仿真结果。3. 在MATLAB环境下，建立简单的线性微分方程的仿真模型。4. 设置仿真模型的有关参数后，进行仿真，给出仿真结果。 六、问题与讨论1、在将微分方程转换为Simulink模型时，必须使用什么模块？2、在Simulink模块下，如果想改变系统的输出方式，同时绘制两条曲线，可以使用什么模块将两路信号混合成一路？ 3、谈谈实验体会。实验五 S函数的编写和Simulink仿真一、实验目的掌握用MATLAB语言编写S函数的方法。学习S-Function块在Simulink模型中的使用方法。二、实验方法基于M文件S-Function的模板sfuntmpl.m来编写S函数，实现Simulink模块库的扩展。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1采用S函数实现模块y=nx，即模块的功能是把一个输入信号n倍以后再输出。（1）编写S函数timesn.m。%S 函数 timesn.m，其输出是输入的 n 倍%*function sys,x0,str,ts=timesn(t,x,u,flag,n)switch flag,case 0 %初始化sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case 3 %计算输出量sys=mdlOutputs(t,x,u,n);case 1,2,4,9 %未使用的 flag 值sys=;otherwise %出错处理error(Unhandle flag=,num2str(flag);end%*%mdlInitializeSizes：当 flag 为 0 时进行整个系统的初始化%*2function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes(T)%调用函数 simsizes 以创建结构体 sizessizes=simsizes;%用初始化信息填充结构体 sizessizes.NumContStates=0; sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=1; sizes.NumInputs=1; sizes.DirFeedthrough=1; sizes.NumSampleTimes=1; %根据上面的设置设定系统初始化参数sys=simsizes(sizes);%给其他返回参数赋值。x0=; str=; ts=-1,0; %初始化子程序结束%*%mdlOutputs：当flag 值为 3 时，计算输出量%*function sys=mdlOutputs(t,x,u,n)sys=n*u;%输出量计算子程序结束。（2）在Simulink环境下搭建以下仿真模型，进行模块的测试。2. 采用S函数来构造非线性分段函数。（1）编写S函数function sys,x0,str,ts=sfunction(t,x,u,flag)switch flag,case 0,sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case 1,2,4,9sys=;otherwiseerror(Unhandled flag=,num2str(flag);endfunctionsys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes= simsizes;sizes.NumContStates= 0;sizes.NumDiscStates= 0;sizes.NumOutputs= 1;sizes.NumInputs= 1;sizes.DirFeedthrough= 1;sizes.NumSampleTimes= 1;sys=simsizes(sizes);x0=;str=;ts=0 0;function sys=mdlOutputs(t,x,u)（2）在Simulink环境下搭建以下仿真模型，进行模块的测试。五、实验步骤1. 在MATLAB环境下，编写S函数实现Simulink模块。2. 在Simulink环境下搭建仿真模型，进行仿真。六、问题与讨论1、谈谈S函数的作用和编写方法？2、如何在Simulink环境中运行S-Function模块？ 3、谈谈实验体会。实验六 图像处理系统的算法和界面设计一、实验目的掌握图像处理的基本算法，包括图像的读写、显示；图像的类型转换、图像的几何操作；图像的添加噪声；图像的平滑与滤波等。了解MATLAB环境下界面设计的基本方法。二、实验方法在可视化界面开发环境Guide中进行图像处理系统的界面设计，并添加图像处理的有关程序。三、实验设备1586以上微机，16M以上