MATLAB控制系统仿真试验报告

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清华大学自动化工程学院

试验报告

课程：控制系统仿真

专业自动化班级122姓名学号

指导教师：

时间：2023年10月19日—10月28日

目录

试验一MATLAB环境的熟悉与基本运算???????????????????1试验二MATLAB语言的程序设计??????????????????????6试验三MATLAB的图形绘制????????????????????????9试验四采用SIMULINK的系统仿真????????????????????14试验五控制系统的频域与时域分析?????????????????????17试验六控制系统PID校正器设计法?????????????????????23

试验一MATLAB环境的熟悉与基本运算

一、试验时间及地点：

试验时间：2023.10.19上午8:30—9:30试验地点：计算中心

二、试验目的：

1．熟悉MATLAB开发环境

2．把握矩阵、变量、表达式的各种基本运算

三、试验内容：

1、新建一个文件夹（自己的名字命名，在机器的最终一个盘符）2、启动MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。3、保存，关闭对话框

4、学习使用help命令，例如在命令窗口输入helpeye，然后根据帮助说明，学习使用指令

eye（其它不会用的指令，依照此方法类推）

5、学习使用clc、clear，观测commandwindow、commandhistory和workspace等窗口的变

化结果。

6、初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如exerc1、exerc2、

exerc3??），学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。

注意：每一次M-file的修改后，都要存盘。

练习A：

（1）helprand，然后随机生成一个2×6的数组，观测commandwindow、command

history和workspace等窗口的变化结果

（2）学习使用clc、clear，了解其功能和作用

（3）输入一个2维数值数组，体会标点符号的作用（空格和逗号的作用）。

（4）一维数组的创立和寻访，创立一个一维数组（1×8）X，查询X数组的第2个

元素，查询X数组的第3个元素到第6个元素，查询X数组的第5个元素到最终一个元素，查询X数组的第3、2、1个元素，查询X数组中≤5元素，将X数组的第2个元素重新赋值为111，实例expm1。

（5）二维数组的创立和寻访，创立一个二维数组（4×8）A，查询数组A第2行、

第3列的元素，查询数组A第2行的所有元素，查询数组A第6列的所有元素，查询数组A按列拉长形成新的数组B(1×8)，查询数组A按行拉长形成新的数组C(1×8)，以全元素赋值的方式对数组A赋值。

（6）两种运算指令形式和实质内涵的比较。设有3个二维数组A2×4，B2×4，C2×2，

写出所有由2个数组参与的合法的数组运算和矩阵指令

（7）学习使用表8列的常用函数（通过help方法）（8）学习使用表9数组操作函数

（9）学习字符串的创立，a='Thisisanexample.'

1

串数组的大小size(a)

串数组的元素标识a14=a(1:4)对字符串ASCLL码的数组操作

ra=a(end:-1:1)

w=find(a>='a'

ascii_a(w)=ascii_a(w)-32;%英文大小写字母ASCLL值差32（小-32=大）char(ascii_a)练习B

（10）创立符号对象与函数命令sym（）、syms（）与class（）的熟悉和运用。有符

号表达式：

e1?acx2y?apx2?bcxy?bpx?cky?kp,e2?cy?p

试计算e1e2??与e1\\e2??

四、试验操作过程（试验说明）

>>helprand%用help指令学习rand的用法

rand-Uniformlydistributedpseudorandomnumbers

ThisMATLABfunctionreturnsapseudorandomscalardrawnfromthestandarduniformdistributionontheopeninterval(0,1).

r=randr=rand(n)r=rand(sz1,...,szN)r=rand(sz)r=rand(classname)r=rand(n,classname)r=rand(sz1,...,szN,classname)r=rand(sz,classname)r=rand('like',p)r=rand(n,'like',p)r=rand(sz1,...,szN,'like',p)r=rand(sz,'like',p)

>>rand(2,6)%随机生成一个2×6的数组

2

ans=

0.81470.12700.63240.27850.95750.1576

0.90580.91340.09750.54690.96490.9706>>clear%清除命令窗口>>[12;34]%输入一个二维数组

ans=1234

>>[1,2;3,4]%将空格改为逗号效果一致

ans=1234>>a=[1234;5678];

>>b=a(2:2,3:4)%逗号前面是行，后面是列，冒号前后的数表示所选范围

b=

78

>>eye(3)%产生单位矩阵

ans=

100010001

>>magic(3)%产生魔方矩阵

ans=

3

试验三MATLAB的图形绘制

一、试验时间及地点：

试验时间：2023.10.21上午8:30—9:30试验地点：黄岛老校区计算中心

二、试验目的：

1、学习MATLAB图形绘制的基本方法；

2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令；

3、熟悉把握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注；4、把握plot、subplot的指令格式和语法。

三、试验内容：练习A

二维曲线绘图基本指令演示。t=(0:pi/50:2*pi)';k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,Y)

10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-101234567plot指令基本操作演示

用图形表示连续调制波形y?sin(t)sin(9t)及其包络线。t=(0:pi/100:pi)';y1=sin(t)*[1,-1];y2=sin(t).*sin(9*t);t3=pi*(0:9)/9;

y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,'r:',t,y2,'b',t3,y3,'bo')axis([0,pi,-1,1])

9

10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-100.511.522.53

通过绘制二阶系统阶跃响应，综合演示图形标识。本例比较综合，涉及的指令较广。请耐心读、实际做、再看例后说明，定会有匪浅收益。clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);tt=t(find(abs(y-1)>0.05));ts=max(tt);plot(t,y,'r-','LineWidth',3)axis([-inf,6*pi,0.6,inf])set(gca,'Xtick',[2*pi,4*pi,6*pi],'Ytick',[0.95,1,1.05,max(y)])gridontitle('\\ity=1-e^{-\\alphat}cos{\\omegat}')text(13.5,1.2,'\\fontsize{12}{\\alpha}=0.3')text(13.5,1.1,'\\fontsize{12}{\\omega}=0.7')holdon;plot(ts,0.95,'bo','MarkerSize',10);holdoffcell_string{1}='\\fontsize{12}\%uparrow';cell_string{2}='\\fontsize{16}\\fontname{隶书}镇静时间';cell_string{3}='\\fontsize{6}';cell_string{4}=['\\fontsize{14}\\rmt_{s}='num2str(ts)];text(ts,0.85,cell_string)xlabel('\\fontsize{14}\\bft\\rightarrow')ylabel('\\fontsize{14}\\bfy\\rightarrow')

y=1-e-atcoswt1.2843a=0.3w=0.71.051y?0.95-?ò?¨?±?ts=9.61336.283212.566418.8496t?二阶阶跃响应图的标识

四、试验操作过程（试验说明）

10

1.二维曲线绘图基本指令演示：

>>t=(0:pi/50:2*pi)';k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;

plot(t,Y)

执行结果：（图3-1）

图3-1

2.用图形表示连续调制波形y?sin(t)sin(9t)及其包络线：

>>t=(0:pi/100:pi)';y1=sin(t)*[1,-1];

y2=sin(t).*sin(9*t);t3=pi*(0:9)/9;

y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,'r:',t,y2,'b',t3,y3,'bo')axis([0,pi,-1,1])执行结果：（图3-2）

11

图3-2

3.通过绘制二阶系统阶跃响应，综合演示图形标识：

>>clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);tt=t(find(abs(y-1)>0.05));ts=max(tt);plot(t,y,'r-','LineWidth',3)axis([-inf,6*pi,0.6,inf])

set(gca,'Xtick',[2*pi,4*pi,6*pi],'Ytick',[0.95,1,1.05,max(y)])gridon

title('\\ity=1-e^{-\\alphat}cos{\\omegat}')text(13.5,1.2,'\\fontsize{12}{\\alpha}=0.3')

text(13.5,1.1,'\\fontsize{12}{\\omega}=0.7')

holdon;plot(ts,0.95,'bo','MarkerSize',10);holdoffcell_string{1}='\\fontsize{12}\%uparrow';

cell_string{2}='\\fontsize{16}\\fontname{隶书}镇静时间';cell_string{3}='\\fontsize{6}';

cell_string{4}=['\\fontsize{14}\\rmt_{s}='num2str(ts)];text(ts,0.85,cell_string)

xlabel('\\fontsize{14}\\bft\\rightarrow')

ylabel('\\fontsize{14}\\bfy\\rightarrow')执行结果：（图3-3）

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图3-3

五、试验结果及探讨

1，通过这次试验，我学会了MATLAB图形绘制的基本方法，把握了MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令，而且还懂得了利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注。2，感觉到了MATLAB的强大，而且很实用。

13

Continuous-timetransferfunction.>>>>>>>>k=1;>>num=k;>>den=[24.510];>>Gs=tf(num,den)Gs=

12s^3+4.5s^2+s

Continuous-timetransferfunction.

>>Ms=Gs/(Gs+1)Ms=2s^3+4.5s^2+s

4s^6+18s^5+24.25s^4+11s^3+5.5s^2+s

Continuous-timetransferfunction.

>>rlocus(Ms)%绘制系统闭环的根轨迹图（图5-1）19

图5-1

>>pzmap(Ms)%绘制零极点图（5-2）

图5-2>>[p,z]=pzmap(Ms)p=

20

0.0000+0.0000i-2.1254+0.0000i-2.0000+0.0000i-0.0623+0.4810i-0.0623-0.4810i-0.2500+0.0000iz=

0-2.0000-0.2500

>>[k,poles]=rlocfind(Ms)

Selectapointinthegraphicswindow

selected_point=

0.5795+0.4927ik=

4.1162poles=

0.0000+0.0000i-2.4675+0.0000i-2.0000+0.0000i0.1088+1.0124i0.1088-1.0124i-0.2500+0.0000i

21

五、试验结果及探讨

1.MATLAB通过函数tf(num,den)建立传递函数模型，通过zpk(z,p,k)建立零极点增益模型，

通过ss(A,B,C,D)建立连续系统状态空间模型；

2.MATLAB通过ss2tf(),ss2zp(),tf2ss(),tf2zp(),zp2ss(),zp2tf()等函数将传递函数模型、零

极点增益模型、状态空间模型等模型相互转换；

3.通过函数rlocus(sys)可绘制系统sys的根轨迹图，通过pzmap(sys)可绘制系统sys的零

极点图，通过[k,poles]=rlocfind(Ms)在根轨迹图上任选一点可计算出该点的增益k及所有极点的位置。

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试验六控制系统PID校正器设计法

一、试验时间及地点：

试验时间：2023.10.28上午8:30-9:30试验地点：黄岛老校区计算中心

二、试验目的：

1、熟悉常规PID控制器的设计方法2、把握PID参数的调理规律

3、学习编写程序求系统的动态性能指标

三、试验内容：

1、在SIMULINK窗口建立如下模型2、设计PID控制器，传递函数模型如下

??1?Gc(s)?Kp?1??TD