控制系统仿真实验指导书(学生).doc

控制系统仿真实验指导书天津大学仁爱学院2013年9月实验一 MATLAB平台认识、编程初步实验一、实验目的1、了解MATLAB语言环境。2、练习MATLAB命令的基本操作。3、练习M文件的基本操作。二、实验内容1、了解MATLAB语言环境1）MATLAB语言操作界面。用鼠标双击图标即可打开MATLAB可见多个窗口：”Command Window” Command history”, ”workspace”等，在命令窗口”Command Window”中,在命令提示符位置键入命令，完成下面的练习。2.练习MATLAB命令的基本操作1）键入常数矩阵输入命令：a=1 2 3a=1;2;3记录结果，比较显示结果有何不同：b=1 2 5b=1 2 5;记录结果，比较显示结果有何不同：c=a*bc=a*b记录结果，比较变量加“”后的区别：a=1 2 3;4 5 6;7 8 0a2a0.5记录显示结果。 2）作循环命令程序：makesum=0;for i=1:1:100;makesum=makesum+i;end键入makesum,按回车键，记录计算结果。3）分别执行下列命令：a=1 2 3;4 5 6;7 8 0poly(a)rank(a)det(a)trace(a)inv(a)eig(a) 分别写出命令含义、记录结果。3.练习M文件的基本操作1）新建文件，建.M文件2）输入程序function m,s=findsum(k)s=0;m=0;while (sm1,s1=findsum(145323)，观察记录结果。三、实验报告要求按照上述步骤进行实验，并按实验记录完成实验报告。实验二 MATLAB绘图实验一、实验目的1、学习MATLAB的各种二维绘图方法。2、MATLAB的绘图修饰(多种绘图,图形注释,绘图颜色)。二、实验内容在下面的实验操作中,认真记录每项操作的作用和目的。 1.基本二维绘图(1)向量绘图：x=0:2*pi/100:2*pi;y1=sin(2*x);y2=cos(2*x);plot(x,y1)plot(x,y2)plot(x,y1,x,y2)(2)保持作图：plot(x,y1) hold on;plot(x,y2) hold off;(3)设定颜色与线型plot(x,y1,c,x,y2,mo)(4)多窗口绘图：figure(1);plot(x,y1)figure(2);plot(x,y2)(5)子图绘图：subplot(2,2,1);plot(x,y1)subplot(2,2,2);plot(x,y2)subplot(2,2,3);plot(x,y1,x,y1+y2)subplot(2,2,4);plot(x,y2,x,y1-y2)2.多种二维绘图(1)半对数绘图（频率特性绘图）：w=1ogspace(-1,1);g=20*log10(1./(1+2*w*i);p=angle(1./(l+2*w*i)*180/pi;subplot(211);semilogx(w,g);grid;subplot(212);semilogx(w,p);grid;%相频特性子图,半对数绘图,加网线。 (2)极坐标绘图：t=0:2*pi/180:2*pi;mo=cos(2*t);polar(t,mo)(3)阶梯图：t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stairs(t,y)3.图形注释x=linspace(-3* pi, 3*pi, 200);y=sin(x);plot(x, y)title(my plot) 为图形添加标题xlabel(x), ylabel(y)grid ongrid minor三、实验报告要求按照上述步骤进行实验，观察记录图形，完成实验报告。 实验三 控制系统建模及模型转换实验一、实验目的1、学习利用MATLAB建立各种控制系统数学模型的方法2、学习各种模型的转换方法二、实验基础知识1、系统数学模型的几种表示方法：方案一 函数转换表函数描述方式传递函数模型零极点模型状态空间模型传递函数模型Sys=tf(num,den)Sys_zpk=zpk(sys)Sys_ss=ss(sys)零极点模型sys_tf=tf(sys)sys=zpk(z ,p ,k)Sys_ss=ss(sys)状态空间模型sys_ss=tf(sys)sys_ss=zpk(sys)sys=ss(a,b,c,d)方案二z,p,k=tf2zp(num,den);num,den=zp2tf(z,p,k)num,den=ss2tf(A,B,C,D,iu) %iu表示输入的序号（对多输入系统）z,p,k=ss2zp(A,B,C,D,iu) %z ,p ,k表示对第iu个输入信号的传递函数的零极点A,B,C,D= tf2ss (num,den)A,B,C,D=zp2ss(z,p,k)传递函数在复平面上的零、极点图，采用pzmap()函数来完成，零点用“”表示，极点用“”表示。其调用格式为p,z= pzmap(num,den)3、在MATLAB 工具箱中，提供了子系统的连接处理函数：1） series()函数：系统串联实现格式：sys=series(1sys,2sys)A,B,C,D=series(A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2)2） parallel()函数：系统并联实现。格式：sys=parallel(1sys,2sys)3） feedback()函数：系统反馈连接格式：sys=feedback(1sys,2sys)sys=feedback(1sys,2sys,sign)sign定义反馈形式：正反馈，sign=+1；负反馈，sign=-1三、实验内容1、建立系统模型（1）建立如右传递函数的系统模型参考程序：在MATLAB中，该传递函数可以用如下的语句来描述：num=12,24,0,20;den=2 4 6 2 2; sys=tf(num,den)记录显示结果，比较与给出的传递函数模型是否一致。（2）建立如右传递函数的系统模型参考程序：num=4*conv(1,2,conv(1,6,6,1,6,6);den=conv(1,0,conv(1,1,conv(1,1,conv(1,1,1,3,2,5); sys=tf(num,den)pzmap(num,den)记录显示结果。2、模型转换。（1）求下列传递函数的零极点增益模型： 参考程序：num=1,11,30,0;den=1,9,45,87,50;z,p,k=tf2zp(num,den)输入程序，记录结果。（2）已知二输入二输出系统的状态空间模型如下： 求其零极点模型。参考程序：A=0 1 0; -6 -11 6; -6 -11 5;B=0 0; 0 1; l 0;C=1 0 0; 0 1 0D2 0; 0 2;z,P,kss2zp(A,B,C,D,1) 记录结果。（3）已知一串联系统的三个传递函数、和，求此系统的传递函数。四、实验报告要求按照上述步骤进行实验，记录结果，完成实验报告。实验四 控制系统的时域响应分析实验一、实验目的以MATLAB为工具，对控制系统进行时域分析。1、学习控制系统的单位阶跃响应。2、掌握时间响应分析的一般方法。 二、实验原理时域分析法是根据系统的微分方程（或传递函数），利用拉普拉斯变换直接解出动态方程，并依据过程曲线及表达式分析系统的性能。时域响应指标如图1所示。图1 典型的系统时域响应指标表示延迟时间td，指响应曲线第一次达到其终值一半所需要的时间。上升时间tr，指响应曲线从终值10%上升到终值90%所需要的时间；对于有振荡的系统，也可定义为响应从零第一次上升到终值所需要的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量。峰值时间tp，指响应超过终值达到第一个峰值所需要的时间。调节时间ts，指响应达到并保持在终值5%（或2%）内所需要的时间。超调量%，指响应的最大偏离量h(tp)与终值h()之差的百分比，即：稳态误差，描述系统稳态性能的一种性能指标。 三、实验内容1、二阶系统编写程序求解系统的阶跃响应及其性能指标；计算系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率；修改参数，实现和的阶跃响应；修改参数，实现和的阶跃响应()注：同参数的不同参数值图形绘制在同一张图中，以方便分析比较。2、做出以下系统的阶跃响应，并比较与原系统响应曲线的差别与特点，做出相应的实验分析结果。；要求：分析系统的阻尼比和无阻尼振荡频率对系统阶跃响应的影响；分析响应曲线的稳态值与系统模型的关系；四、实验报告要求 按照上述步骤进行实验，编写程序，并按实验记录完成实验报告，写出分析结果。 实验五 控制系统的频域分析实验一、实验目的1、了解控制系统的稳定性分析方法；2、掌握控制系统频域与时域分析基本方法。二、实验原理频域分析法通常从频率特性出发对系统进行研究。在工程分析和设计中，通常把频率特性画成一些曲线，从频率特性曲线出发进行研究。这些曲线包括幅频特性和相频特性曲线，幅相频特性曲线，对数频率特性曲线以及对数幅相曲线等，其中以幅相频率特性曲线，对数频率特性曲线应用最广。对于最小相位系统，幅频特性和相频特性之间存在着唯一的对应关系，故根据对数幅频特性，可以唯一地确定相应的相频特性和传递函数。根据系统的开环频率特性去判断闭环系统的性能，并能较方便地分析系统参量对系统性能的影响，从而指出改善系统性能的途径。三、实验内容1、绘制二阶环节的Bode图，其中=0.8, =0.1,0.5,1,1.5,2（绘制在一张图中），并求出=0.1时系统的增益和相位裕度。2、已知某系统的开环传递函数为试绘制系统的Nyquist图，并判断闭环系统的稳定性，求出系统的单位阶跃响应。四、实验报告要求 按照上述步骤进行实验，编写程序，并按实验记录完成实验报告。 实验六 控制系统的跟轨迹实验一、实验目的1、直观了解LTI系统的根轨迹分析法。2、了解MATLAB相关函数的调用格式及作用。二、知识提示根轨迹法是分析和设计线性定常系统常用的图解方法之一，利用它可以了解和分析系统的性能，尤其是对系统进行定性的分析。 三、涉及的MATLAB函数printsys(num,den,s)：显示或打印输出由num和den所确定的传递函数。rlocus(num,den)：计算并画出由num和den所确定的系统的根轨迹。 rlocfind(num,den)：计算光标指定的一组根轨迹增益四、实验内容1、已知一个单位反馈系统的开环传递函数为 试绘制其根轨迹。2、已知一个单位反馈系统的开环传递函数为 试分别绘制其根轨迹，并比较零极点对系统性能的影响。3、单位负反馈系统的开环传递函数为 试绘制根轨迹图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。五、实验报告要求1、在计算机中输入程序，验证实验结果，记录图形2、对于程序设计实验，要求通过对验证性实验的练习，自行编制完整的实验程序，得出实验结果。3、在实验报告中写出完整的自编程序，并给出实验结果。 实验七 SIMULINK仿真方法练习一、实验目的1、熟悉Simulink工作环境及特点；2、掌握Simulink的建模与仿真方法。二、相关知识1、SIMULINKSimulink是MATLAB的一个部件，它为MATLAB用户提供了一种有效的对反馈控制系统进行建模、仿真和分析的方式。有两种方式启动Simulink： 在Command window中，键入Simulink，回车。 单击工具栏上Simulink图标。启动Simulink后，即打开了Simulink库浏览器（Simulink library browser）。在该浏览器的窗口中单击“Create a new model（创建新模型）”图标，这样就打开一个尚未命名的模型窗口。把Simulink库浏览器中的单元拖拽进入这个模型窗口，构造自己需要的模型。对各个单元部件的参数进行设定，可以双击该单元部件的图标，在弹出的对话框中设置参数。 2、了解SIMULINK 模块库中各子模块基本功能 3、SIMULINK 的建模与仿真方法（1）打开模块库，找出相应的模块。鼠标左键点击相应模块，拖拽到模型窗口中即可。（2）创建子系统：当模型大而复杂时，可创建子系统。（3）设置仿真控制参数。三、实验步骤1、在SIMULINK集成环境下建立模型；创建子系统：（双击Subsystem）2、系统的仿真参数设置；L=0.015；R=1.25；Ce0.132；GD0.0599；Gain9.55*Ce；Gain11/GD3模型仿真、结果输出与结果分析。四、实验报告要求 根据实验数据，并按实验记录完成实验报告。实验八 SIMULINK仿真实验一、实验目的1、掌握SIMULINK的建模与仿真方法2、研究PID控制器对系统的影响。二、实验原理1、模拟PID控制器典型的PID控制结构如图1所示。比 例积 分微 分对象模型PID控制器r(t)y(t)u(t)e(t)图1 典型PID控制结构PID调节器的数学描述为三、实验内容1、已知对象模型， 在MATLAB中研究闭环系统在不同控制情况下的阶跃响应，并分析结果。(1) 时，在三个不同KP值下，闭环系统的阶跃响应；(2) 时，在