基于MATLAB的测控实验.doc

基于MATLAB的测控实验实验一 函数信号发生实验一 实验目的1掌握基于matlab产生基本信号的方法；2掌握基于matlab绘制信号曲线的方法。 二 实验设备1计算机1台；2MATLAB软件1套；3打印机1台。三 实验要求1预习实验原理；2对实验内容编写程序（M文件），上机运行；3独立完成实验。四 实验原理利用Matlab软件的信号处理工具箱中的专用函数产生信号并绘出波形。1产生正弦波t=0:0.01:3*pi;y=sin(2*t);plot(t,y);2产生叠加随机噪声的正弦波t=0:0.01:3*pi;y=10*sin(2*t);s=y+randn(size(t);plot(t,s);3产生周期方波t=0:0.01:1;y=square(4*pi*t);plot(t,y);4产生周期锯齿波t=(0:0.001:2.5);y=sawtooth(2*pi*30*t);plot(t,y);axis(0 0.2 -1 1);5产生Sinc函数x=linspace(-5,5);y=sinc(x);plot(x,y);6产生指数函数波形x=linspace(0,1,100);(或x=0:0.01:1;)y=exp(-x);plot(x,y);五 实验内容自选五个基本函数，随机设定x坐标的数值序列，利用MATLAB计算出各个函数的y坐标的数值序列，并利用plot()函数绘制各个函数的曲线图。六 实验报告1提交信号生成的MATLAB程序及其曲线图；2总结MATLAB绘制曲线的方法；3写出实验心得体会或者对本实验的改进意见。实验二 信号时域分析实验一 实验目的1掌握基于matlab信号时域运算的方法；2理解信号尺度变换及卷积运算的原理。 二 实验设备1计算机1台；2MATLAB软件1套；3打印机1台。三 实验要求1预习实验原理；2根据实验内容编写程序（M文件），上机运行；3独立完成实验。四 实验原理1信号时域的加、减、乘运算要进行加、减、乘运算的信号，时间坐标t的数据序列长度必须相同，否则无法进行运算。t=0:0.01:2;f1=exp(-3*t);f2=0.2*sin(4*pi*t);f3=f1+f2;f4=f1.*f2;subplot(2,2,1);plot(t,f1);title(f1(t);subplot(2,2,2);plot(t,f2);title(f2(t);subplot(2,2,3);plot(t,f3);title(f1+f2);subplot(2,2,4);plot(t,f4);title(f1*f2);2信号时域的反褶、移位、尺度变换运算由f(t)到f(-at+b)(a0)的一般步骤为。例如将f(t)=sin(t)/t通过反褶、移位和度变换到f(-2t+3)。syms t;%定义自变量(横坐标变量）f0=sin(t)/t;f1=subs(f0,t,t+3); %对f0进行移位，亦即将函数中的自变量t变为t+3f2=subs(f1,t,2*t);%对f1进行尺度变换, 亦即将函数中的自变量t变为2*tf3=subs(f2,t,-t); %对f2进行反褶, 亦即将函数中的自变量t变为-tsubplot(2,2,1);ezplot(f,-8,8); %ezplot是符号函数绘图命令grid on;subplot(2,2,2);ezplot(f1,-8,8);grid on;subplot(2,2,3);ezplot(f2,-8,8);grid on;subplot(2,2,4);ezplot(f3,-8,8);grid on;五 实验内容选基本函数cos(t)，函数f(t)=cos(t)/t作为信号发生函数，随机设定时间坐标t的数值序列，利用MATLAB根据这个函数生成一个信号，然后最这个信号进行时域右平移（t变为t+5）、对信号进行尺度变换（t变为5t）、对信号进行反褶（t变为相反数-t），并利用plot()函数绘制这个信号的曲线图和运算所得信号的曲线图。六 实验报告1提交信号生成的MATLAB程序及其曲线图；2总结MATLAB绘制曲线的方法；3写出实验心得体会或者对本实验的改进意见。实验三 信号频域分析实验一 实验目的1掌握用matlab软件绘制信号频谱的方法;2通过实验，加深理解采样定理;3理解傅里叶变换的性质。二 实验设备1计算机1台；2MATLAB软件1套；3打印机1台。三 实验要求1预习实验原理；2对实验内容编写程序（M文件），上机运行；3独立完成实验。四 实验原理1MATLAB中的快速傅里叶变换matlab提供fft函数来计算信号x(n)的快速离散傅里叶变换 (FFT)。格式y=fft(x)计算信号x的快速离散傅里叶变换y时，若x的数据长度为2的整数次幂时，用算速度较快的基-2算法,否则采用较慢的分裂算法。格式y=fft(x,N) 计算信号x的N点快速离散傅里叶变换时,若x的数据长度大于N,截断x,若x的数据实际长度小于N，则自动补一些零，使之长度等于N.。运用MATLAB进行快速傅里叶变换时，幅值大小与选择点数N有关,但不影响分析结果；若N点序列x(n)(n=0,1,N-1)是在采样频率fs(Hz)下获得,它的快速离散傅里叶变换(FFT)也是N点序列，即X(k)(k=0,1,N-1),则第k点所对应的实际频率f=kfs/N。2MATLAB中的频谱分析一被噪声污染的信号,很难看出它所包含的频率分量, 在MATLAB中可以通过用快速傅里叶变换(FFT)来分析信号频率成分，实现信号的频谱分析。例如一个由50Hz和150Hz正弦信号构成的信号,受到均值为零、均方差为0.5的高斯随机信号的于扰,数据采样率fs=500Hz，通过FFT来分析其信号频率成分,用matlab实现如下: fs=500; %采样频率fs=500Hz.t=0:1/fs:1; %采样周期为1/fs.%产生信号f(t)f=sin(2*pi*50*t)+sin(2*pi*150*t); subplot(3,1,1);plot(t,f);title(原始信号);y=f+0.5*randn(1,length(t); %加噪subplot(3,1,2);plot(t,y);title(受噪声污染的信号);N=256; Y=fft(y,N); %对加噪信号进行FFTk=0:N-1;f=fs*k/N;subplot(3,1,3);plot(f,abs(Y);title(FFT(幅度谱); 由频谱图可见,在50Hz和150Hz各出现很长的谱线，表明含噪信号y中含有这二个频率的信号。在350Hz和450Hz处也出现很长的谱线，这并不是说y中也含350Hz和450Hz的信号，这是由于采样信号的频谱是以采样频率fs为间隔周期出现而造成的。在这一过程中需要注意的是当采样频率fs2fm=2*150=300 Hz时，满足奈奎斯特采样定理条件，不会产生频谱混迭现象；当fs1、00的所有频段内，其对数相频特性对线的正负穿越次数之差为0。如果系统在右半S平面有P个开环极点，则开环稳定的系统的充要条件是0的所有频段内，对线的正负穿越次数之差为P/2。（4）奈氏稳定性判据对于开环稳定的系统，闭环系统稳定的充要条件是系统开环频率特性函数的奈氏图不包围复平面的点；设开环不稳定的系统在右半S平面有P个开环极点，闭环系统稳定的充要条件是当由变为时，开环频率特性函数的奈氏图逆时针包围点P次。3. 求相对稳定性 第一步: 先求出系统传递函数 G=tf(num,den) 第二步: 利用margin函数求出幅值裕量, 相位裕度以及相应的频率. Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(G) 第三步: 将幅值裕量转化为幅值裕度 GmdB=20*log10(Gm)示例：已知系统传递函数为，利用MATLAB直接求其的相对稳定性。num=conv(2.5,0.1 1);%求取传函分子的系数 den=conv(1 0 0,0.2 1);%求取传函分母的系数 G=tf(num,den) %求取传函 Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(G);%求取幅值裕量与相位裕度 margin(G);%绘制Bode图并标出幅值裕度与相位裕度 GmdB=20*log10(Gm);%求取幅值裕度 disp(幅值裕度) GmdB %显示幅值裕度disp(相位裕度 ) Pm %相位裕度)程序运行结果：Transfer function: 0.25 s + 2.5 - 0.2 s3 + s2 幅值裕度 GmdB = Inf 相位裕度 Pm = -8.4317 五 实验内容已知如下图的闭环控制系统，其中T0=1，T1=0.1，T2=0.51，K1=5，K2=5.6，请根据实验原理完成以下实验内容：1 由劳斯判据分析系统稳定条件。2 绘制开环系统的Nyquist和Bode图，分别用Nyquist和Bode判据判断整个闭环系统的稳定性，并记录相应的Nyquist和Bode图。3 求取控制系统的开环系统和闭环系统的相对稳定性参数，包括幅值裕度、相位裕度、幅值穿越频率和相位穿越频率。4 试着改变K1、K2、T1和T2的，再次进行1-3实验步骤，分析K和T的变化对系统的影响。六 实验报告1代数稳定判据推导过程。2实验记录与响应曲线。3叙述振荡环节中阻尼系数对环节的影响。4结合实验遇到的问题谈谈对实验的看法，对实验现象进行分析讨论，写出本实验的心得与体会。七 思考题1随动系统和恒值系统有何不同？其稳定性取决于什么？2影响二阶系统动态性能的两个主要参数是什么？二阶系统在什么条件下，其瞬态响应处于要振不振的临界状态？3在典型二阶系统中，改变增益对系统的动态性能有何影响？阻尼比对系统的动态性能有何影响，分析三阶系统增益变化对系统稳定性的影响。4系统中的小惯性环节和大惯性环节哪个对系统稳定性的影响大，为什么？5如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？实验十 控制系统校正实验一 实验目的1掌握超前校正装置、滞后校正装置、超前-滞后校正装置及其特性； 3掌握运用频率法进行串联校正的过程；6掌握运用MATLAB进行控制系统的校正的方法。4了解运用根轨迹法进行串联校正的过程；5了解反馈校正方法及应用。二 实验设备1计算机1台；2MATLAB软件1套；3打印机1台。三 实验原理如果校正元件与系统不可变部分串接起来，如图所示，则称这种形式的校正为串联校正。图 串联校正系统方框图如果从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为的校正元件，见图6-2，则称这种校正形式为反馈校正。应用串联校正或（和）反馈校正，合理选择校正元件的传递函数，可以改变控制系统的开环传递函数以及其性能指标。一般来说，系统的校正与设计问题，通常简化为合理选择串联或（和）反馈校正元件的问题。究竟是选择串联校正还是反馈校正，主要取决于信号性质、系统各点功率的大小，可供采用的元件、设计者的经验以及经济条件等。在控制工程实践中，解决系统的校正与设计问题时，采用的设计方法一般依据性能指标而定。在利用试探法综合与校正控制系统时，对一个设计者来说，灵活的设计技巧和丰富的设计经验都将起着很重要的作用。串联校正和反馈校正，是控制系统工程中两种常用的校正方法，在一定程度上可以使已校正系统满足给定的性能指标要求。把前馈控制和反馈控制有机结合起来的校正方法就是复合控制校正。在系统的反馈控制回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相组合的系统，选择得当的系统参数，这样的系统称之为复合控制系统，相应的控制方式称为复合控制。把复合控制的思想用于系统设计，就是所谓复合校正。四 实验内容1. 设有一单位反馈控制系统，其开环传递函数为，要求稳态速度误差系数20(1s)，相位裕量不小于50。，增益裕量不小于10(dB)，试基于频率法的设计一超前校正装置，使校正后系统满足要求的性能指标。2. 设单位反馈系统的开环传递函数 ，要求的性能指标为： 1/s，相角裕量不低于35，增益裕量不低于10db，试求串联滞后校正装置的