控制系统设计与仿真实验指导书.doc

实验一 仿真软件的熟悉一、 实验目的熟悉simulink的运行环境了解simulink的功能模块的作用熟悉simulink模型窗口二、 实验所用器材软件：MATLAB5.0及以上版本；硬件：586以上配置计算机。三、 实验原理计算机模拟实际上也就是计算机仿真，是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过程和规律。仿真方法可以分为实物仿真、数学仿真和混合仿真三类。MATLAB是一个功能很强大的仿真软件，可以用来对一些静态系统进行仿真，simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包。它让用户把更多的精力从编程转向模型的构造。四、实验内容1MATLAB环境的熟悉双击桌面上的MATLAB6.0图标，启动MATLAB，这时出现一个标题为”MATLA Commamd Window”的窗体，这就是MATLAB的主界面，在命令窗口输入demo，回车之后，会有一个新的窗口，里面有许多MATLAB提供的演示程序。（1）简单命令练习。MATLAB是区分大小写的，MATLAB里的命令和函数名称都是小写。在命令窗口中输入4+6+2，回车后会得到ans=12;（2）矩阵练习。a: 定义一个矩阵。在命令提示符下输入A=1 2 3；4 5 6；7 8 0 回车后得到A=1 2 34 5 67 8 0b: 访问矩阵A中的第一行元素A（1，；）回车后得到 ans=1 2 3c: 数组操作。在命令提示符下输入g=1 2 3 4;5 6 7 8;和g*2-1结果会如下所示:ans=1 3 5 79 11 13 15(3) 使用 MATLAB在线帮助如果不知道实现什么功能用什么函数，可以直接在命令提示符下用 help命令。如果你知道某个函数的名字，可以“help+函数名”寻求帮助。2.概念（1）MATLAB的工作空间工作空间是存储变量和命令的区域。以前输入的变量和命令可以在任何需要的时候调用。可以用who命令来查询变量,（注意：MATLAB里变量或函数的命名必须以字母开头，不最多19个字符）。（2）MATLAB三种执行方式a): 脚本文件扩展名为“.m”,可以在命令行直接输入命令来进行计算；b): M文件也是一个批处理文件，扩展名为“.m”。把命令放在一个简单的文本文件中。用File/NewM-file启动文本编辑器， 会出现一个标题为 “MATLABEdit/Debug”的窗体。c) : M文件函数以关键字 function 开始，扩展名为.m另外保存文件时文件名和函数名必须相同。(3 )MATLAB搜索路径当在命令行输入一个字符处如输入ptest 回车后， MATLAB搜索顺序为：l 检查是否为工作空间的变量；l 检查是否为内置函数；l 检查MEX文件ptest.mex是否存在于当前目录；l 检查M文件ptest.m是否存在于当前工作目录l 按次序搜索已设置的路径，检查是否存在于搜索路径中。 最好用F ile/Set Path命令设置好路径，并把当前目录设置为你的工作目录,存储时目录选用你已经设置过路径的目录。2.Simulink熟悉。在MATLAB命令窗口输入Simulink,一个称为simulink Library Browser的窗口就会出现在桌面上（1） 输入thermo 就会看到一个“房间热力学仿真演示”实验模型 ，双击各个模块，看看里面的结构。并试着改变一下参数，进行仿真运行一下，看一下结果。（2） 创建一个简单的模型，并记录输出结果。五、 实验结果分析对本次实验的结果进行分析。实验二 仿真输入数据分析在实际仿真中，仿真模型的输入数据是要从实际中收集起来，并要进行一定的分析，输入数据的处理程序是：收集-画出直方图-参数估计-拟合度检验。收集是需要人力去完成的，MATLAB无法代劳，但使用极为方便的输入输出函数能使这些工作省力。实验内容：一、 画直方图用于直方图绘制的命令有hist,histc,bar.hist的用途是根据输入的数据矢量画出直方图，并返回每一小块的频数，区分划分的方式既可以等宽，也可以不等宽。 1.用hist(y)命令产生泊松分布的直方图，区间个数为10个。y=random(poiss,10,500,1):%产生500个泊松分布的随机数据样本n=hist（y） n= 5 35 65 127 123 46 53 29 13 42.用hist(y,x)命令产生高斯分布的直方图。自定义区间划分方案。 y=randn(5000,1);%生成5000点的正态分布随机数 x=linspace(-2.5,2.5,15);%linspace(first,last.n)用来创建从first开始，到last结束，元素个数为n的行向量hist(y,x)二、 参数估计对一个组观测数据进行参数估计，一般都要先计算样本均值和样本方差，计算这两个统计量的函数分别是mean和std。mean函数的调用形式为m=mean(x),当x为一个向量时，韩淑返回各元素的平均值；如果是一个矩阵，则返回一个行向量，其元素对应矩阵每列的平均值。进行参数估计的步骤首先是计算输入数据的样本均值，标准方差或其他统计量，再按照分布的参数估计式进行计算。1.随机产生一个10行，三列的矩阵，并按列求平均数。d=rand(10,3)mean(d)ans= 0.4284 0.5358 0.54602.求矩阵d的标准方差。 std（d）ans= 0.2818 0.3242 0.27503.用poissfit函数对泊松分布的参数进行估计。返回泊松分布参数a的点估计值。x=random(poiss,6,25,1);a=poissfit(x)a=6.4400四、.拟合度检验（假设检验）拟合度检验是输入数据处理的最关键一步，对仿真的效果有很重要的影响。拟合度检验要分几个步骤：（1）将样本值（观测数据）分组；（2）计算每一组的观测频数，以及相应的理论频数，根据公式计算出检验的统计量；(3)根据样本的自由度，以及检验前给定的显著性水平，在卡爱平方表里做出判决的阈值，并将检验统计量与之相比较。如大于阈值，则说明先前假设的分布和观测数据拟合的不好，要重新作出假设；若小于，则说明把观测数据看成此分布比较合理。用函数histc将观测数据分组以及计算观测频数。 x=random(poiss,6,500,1);e=1:8;n=hisc(x,e)n=52044688072 7351 实验三 仿真输出数据分析将仿真结果可视化，是输出分析的常用方法。实验内容：1.用plot命令将一个图旋转90度。 x=linspace(0,2*pi,30);y=sin(x);plot(x,y);plot(y,x) ;2.子图绘制命令subplot(m,n,p ).用子图绘制命令绘制，在第一个子窗口绘制sin函数，在第二个子窗口绘制cos函数，在第三个窗口绘制sin2x窗口，在第四个窗口绘制tan函数.存储成M文件。 X=linspace(0,2*pi,30);titles=sin(x);cos(x);sin(2x);tan(x);y=zeros( 4,30);y(1,:)=sin(x);y(2,:)=cos(x);y(3,:)=2*sin(x).*cos(x);y(4,:)=sin(x)./（cos(x)+eps);for i=1:4subplot(2,2,i);plot(x,y(i,:);title(titles(i,:);axis(0 2*pi -1 1 )；end;3.在进行仿真结果分析时，需要用一个解析函数来描述仿真结果与某些参数的关系，可以有插值和拟合两种方式。l 用plotfit求解最小二乘曲线拟合问题。plotfit（x,y,n）找到对输入数据y的n阶最小二乘多项拟合多项式p(x)的系数x=linspace(0,1,11);y=-.447 1.9783.28 6.16 7.08 7.34 7.66 9.56 9.48 9.30 11.2;p=polyfit(x,y,2)z=polyval(p,x);p2=polyfit(x,y,10)plot(x,y,-om,x,z,:*r)l 一维插值结果的绘制。插值定义为对数据点之间的函数的估值方法，这些数据点是由某些集合给定。当人们不能很快求出所需中间点的函数值时，插值就是一种有价值的方法。x=0:10;y=sin(x);xi=0:.25:10;yi=interp1(x,y,xi);% interp1(x,y,xi)用一维插值来寻找xi向量对应的函数值，该函数由输入向量x和y来指定，y是函数在自变量x对应的函数值。plot(x,y,o,xi,yi)实验四、对连续系统进行建摸仿真实验内容：1. 对一个简单的连续系统进行建模。方程为1阶微分方程，其中，u(t)是幅度为1，频率为1rad/s的方波信号。积分模块将x(t)的微分信号积分来获得x(t)。要产生方波信号，可以使用SignalGenerator模块，选择波形为方波(Square)并改变频率单位为，用Scope模块来观看最后的输出结果。采取把上述微分方程表示为传递函数的形式来进行建模仿真，并用Scope模块观看输出结果。将微分方程左右两边取拉氏变换，变形为这样系统的传递函数为。于是可以用Transfer Fcn模块来进行建模(Continrous)。为此，首先指定对应的传递函数，可以在模块参数对话框设置Numerator（分子）参数、Denumerator（分母）参数分别为1和1 2。即这个模块是用传递函数的分式形式表示，且系数从左至右按得降幂排列。2. 将摄氏温度转变为华氏温度。方程为：TF=(9/5)TC+32所需模块有：Ramp模块用来产生温度信号，在Source库。Constant模块，用来产生一个常数32，在Source库。Gain模块将输入信号乘上9/5，在Math库；Sum模块把两个量加起来，在Math库；Scope模块，显示输出的结果。在Sink库。 实验五、多状态代数环仿真在Simulink里馈入的概念是指具有直接馈入的模块在不知道输入端口的值的前提下无法计算出输出端口的值。即当时时刻输出值得计算依赖于当前时刻的输入值，从模块的内瑞结构上说，模块内部存在延迟单元，当具有直接馈入的端口由该模块的输出驱动时，或者是经过别饿具有直接馈入的模块的反馈环路驱动，就发生了代数环。实验内容：建立一个向量代数环来解一个二元一次方程组。 注意：在模型中algebraic constraint模块的用法，它的位置在math字库。algebraic constraint模块将它的输入信号F(Z)约束为零，并输出一个代数状态Z，注意algebraic constraint使用时，输出信号必须tognguo摩中反馈途径影响输入信号，为了提高代数环解法器的效率，algebraic constraint模块允许用户在参数对话框里设置它的初始猜测值。，为了解决F（Z）=0，Simulink解法器使用具有弱的线性搜索的秩为1的牛顿方法更新偏微分Jacobian矩阵。尽管这个方法是鲁棒的，但如果代数状态z没有一个好的初始值估计解法器就可能不会产生一个收敛的值。除了了一通过参数对话框设置algebraic constraint的代数状态初始值，但建立代数环解方程就必须使用algebraic constraint模块；也可以通过在连线上放置一个初始信号设置模块IC模块，来说明该连线代表的信号的初始值。 实验六 采样控制系统仿真实验内容：某数字控制系统如书P89所示，数字控制器传递函数为，保持器传递函数为，被控对象为输入为单位阶跃信号，采样周期为T=0.1s.求系统在各采样时刻的输出。要求用MATLAB