控制系统CAD及数字仿真实验指导书.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控制系统稳定性的MATLAB辅助分析.32数据处理方法的MATLAB实现.43控制系统数字仿真的实现.54基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统仿真实验.65双闭环直流调速系统设计仿真实验. . . . .76水箱液位控制仿真实验. . . . .8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 控制系统稳定性的MATLAB辅助分析一、实验目的学会在MATLAB环境下对线性控制系统进行稳定性分析。二、实验方法1.线性控制系统稳定性的直接判定方法：求出该系统所有的极点。2.线性控制系统稳定性的间接判定方法：Routh稳定性判据。在MATLAB环境下，编写一个MATLAB函数来构造线性控制系统的Routh表，如果Routh表首列非零且不变号，则说明此控制系统是稳定的。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB5.3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该系统所有的极点，用直接判定方法分析系统的稳定性。 2在MATLAB环境下，编写一个MATLAB函数来构造线性控制系统的Routh表，利用Routh稳定性判据分析系统的稳定性。五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，首先输入线性控制系统传递函数的分母。2. 然后输入传递函数的分子。3. 调用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取该系统所有的极点，记录极点的位置。4. 在MATLAB环境下，编写一个MATLAB函数来构造线性控制系统的Routh表，显示并记录结果。5用直接判定方法和间接判定方法分析系统的稳定性。 六、问题与讨论1、线性控制系统的稳定性由哪些因素决定？控制系统的误差由哪些因素决定？2、如何用Routh稳定性判据进行系统相对稳定性的判定？ 3、谈谈实验体会。实验二 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-ROM2MATLAB5.3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。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。实验三 控制系统数字仿真的实现一、实验目的学会在MATLAB环境下根据控制系统的“二次模型”编写适当的程序语句，使之能自动求解各环节变量的动态变化情况，从而得到关于系统输出各变量的有关数据、曲线等，以对系统进行性能分析和设计。二、实验方法与实际系统的结构图相对应，在计算机程序中也应构出方便表示各实际环节的典型环节，并将环节之间的连接关系输入计算机，由计算机程序自动形成闭环状态方程，运用数值积分方法求解响应。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB5.3以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1编制面向系统结构图的仿真程序。2将各环节参数与各环节之间的连接关系输入计算机，调用仿真程序，由计算机程序自动形成闭环状态方程，运用数值积分方法求解响应。五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，编写仿真程序。2. 运行仿真程序，输入有关参数，得到系统输出各变量的有关数据、曲线。 六、问题与讨论1、为保证仿真结果的正确性，应如何选择仿真步长？2、面向复杂连接的闭环系统数字仿真，通常存在哪些问题？ 3、谈谈实验体会。实验四 基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统仿真实验一、实验目的了解一阶倒立摆的工作原理和建模方法；掌握双闭环PID控制的设计方法；学习SIMULINK封装技术子系统；通过仿真实验验证系统的鲁棒性。二、实验方法1. 采用仿真实验的方法在MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下进行一阶倒立摆模型的验证实验。2. 设计双闭环PID控制器，调整调节器的参数，保证控制系统的鲁棒性。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB5.3以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1在MATLAB环境下，建立一阶倒立摆的仿真框图，进行仿真实验，验证模型的准确性。2在MATLAB环境下，进一步建立采用双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统的仿真框图，进行仿真实验，验证控制系统的鲁棒性。五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，建立一阶倒立摆的仿真框图。2. 验证一阶倒立摆模型的准确性后，对此模型进行封装。3. 在MATLAB环境下，利用封装后的子系统建立一阶倒立摆控制系统的仿真框图。4. 调整PID控制器的参数，进行仿真实验，验证控制系统的鲁棒性。 六、问题与讨论1、如何对一阶倒立摆的数学模型进行合理的简化？2、如何设计双闭环PID控制？ 3、谈谈实验体会。实验五 双闭环直流调速系统设计仿真实验一、实验目的了解ASR与ACR的工程设计法；掌握双闭环调速系统中各个参数的设定；熟悉双闭环调速系统的工作原理和动态性能。二、实验方法在MATLAB环境下，进行SIMULINK仿真，建立双闭环调速系统的仿真框图，并分析双闭环调速系统各点参数。根据设计的双闭环V-M调速系统，对其进行动态特性分析。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB5.3以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1在MATLAB环境下，采用SIMULINK建立仿真模型。2对转速调节器ASR和电流调节器ACR设定参数。3进行仿真实验，分析双闭环调速系统的起动特性和抗扰性能。五、实验步骤 1. 在MATLAB环境下，建立双闭环调速系统的仿真框图。2. 不施加干扰，进行仿真实验，调整调节器的参数，得到转速调节器ASR和电流调节器ACR的输出特性以及电动机的电流和转速特性。3. 施加负载突变的干扰，研究电动机转速的变化情况。4. 施加电网电压波动的干扰，研究电动机转速的变化情况。 六、问题与讨论1、如何提高系统的抗扰性能？2、如何保证系统起动的快速性？ 3、谈谈实验体会。实验六 水箱液位控制仿真实验一、实验目的了解“水箱系统”液位控制原理；对水箱系统建立仿真模型，观察水箱处于不同调节器算法时的输出特性。二、实验方法建立“水箱系统”的数学模型；在MATLAB环境下，采用SIMULINK进行仿真实验。三、实验设备1586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2X CD-ROM2MATLAB5.3以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容1在MATLAB环境下，采用SIMULINK建立仿真