系统建模与仿真课程实验指导书

系统建模与仿真》实验指导东北林业大学电气与自动化实验室2015年3月基础实验（一）控制系统建模及稳定性分析基础实验（二）控制系统数字仿真基础实验（三）控制系统时域分析基础实验（四）控制系统频域分析综合实验（五）控制系统设计实验说明：通过本课程的实验教学，学生应熟练掌握MATLAB语言的程序设计与使用，SIMULINK仿真工具的应用等基本仿真方法。掌握MATLAB软件实现控制系统数学模型的建立、变换及实现；控制系统数字仿真；控制系统的时域、频域分析；系统设计与综合等系统建模与仿真的方法手段及实现途径。通过实验对所学的专业理论知识有更深入的理解和认识，从而具备解决自动化及相关专业领域中实际系统分析、设计与综合等问题的能力。实验报告要求给出具体的MATLAB程序和简要的实验总结。实验一控制系统建模及稳定性分析一、 实验目的掌握Matlab中系统模型描述相关命令函数及使用；掌握系统模型变换及实现；掌握Matlab中不同方法的系统稳定性分析。二、 实验内容系统数学模型建立与转换系统模型连接等效系统模型实现控制系统稳定性分析（代数稳定判据、根轨迹法、频率特性法、Lyap第二法）三、 实验步骤系统数学模型建立与转换（1）给定SIS0系统输入为”ow”，输出为“Tem^p”，传递函数为\1.3s2+2s+2.5丿e-2sG（s）=s3+0.5s2+1.2s+12）将状态空间模型使用MATLAB2）将状态空间模型转换为传递函数和零极点增益模型。TOC\o"1-5"\h\z0 1 0转换为传递函数和零极点增益模型。X= 0 0 1-5 -20 -1y=[1 0 0]x⑶给定一个多输入-多输出MIMO系统，求其matlab描述形式。1G(s)=G(s)=s+1s+1s+2控制系统稳定性分析已知控制系统结构图如图所示求取系统的闭环极点，并判别闭环系统的稳定性。实验二控制系统数字仿真一、 实验目的掌握数字仿真的基本理论-数值积分法，熟悉MATLAB环境下求取连续系统的输出响应。二、 实验内容利用MATLAB求取系统阶跃响应的数值解三、 实验步骤求下图所示系统的阶跃响应的数值解

实验三控制系统时域分析一、 实验目的熟悉MATLAB环境下求取控制系统时间响应。二、 实验内容利用MATLAB求取系统的时间响应三、 实验步骤1)已知控制系统传递函数1)已知控制系统传递函数25s2+2s+25利用拉普拉斯变换法求系统的脉冲响应函数，并绘制响应曲线。2)单位负反馈控制系统开环传递函数G2)单位负反馈控制系统开环传递函数G(s)25s(s+4)求系统的闭环传递函数。在同一个坐标系中绘制输入信号为 u/t)=1+0.2sin(41)ugt)=0.3t+0.3sin(51) 时，系统的时域响应曲线。实验控制系统频域分析一、 实验目的1.熟悉Matlab环境下的控制系统频域曲线绘制，频域性能指标计算及性能分析;二、 实验内容1．利用MATLAB求取频率响应2．控制系统Bode图绘制及相关性能指标计算3．奈奎斯特图与尼柯尔斯图绘制及性能分析三、 实验步骤1、已知系统传递函数G1、已知系统传递函数G(s)=

绘制系统开环传递函数：1s(s+1)(s+2)绘制其Bode图，并求系统频域性能指标。1s(s+1)(s2+2s+2)

绘制对数幅相特性曲线，并加画Nichols图线和坐标线。3、如下图所示系统，利用MATLAB求取系统的频率响应。其中输入信号为:r(t)=2sin2t+4cos(3t+)6实验五控制系统的设计一、 实验目的熟悉Matlab环境下控制系统的校正与综合。二、 实验内容1．基于Bode图的控制系统滞后/超前校正2．基于Z-N的PID控制器设计三、 实验步骤1.已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为G(s)= K s(2s+l)(0.002s+1)试设计系统的超前校正器Gc(s)，使之满足：在斜坡信号r(t)=v0t作用下，系统的稳态误差essWO.OOIv。；校正后系统的相位裕量Pm范围为：43°〜50°。2．已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为G(G(s)=s(0.2s+1)(0.01s+1)试设计系统的滞后校正器Gc(s)，使之满足：⑴在斜坡信号r(t)=v0t作用下，系统的稳态误差essWO.O2v0；校正后系统的相位裕度Pm范围为：43°〜50°；校正后系统的剪切频率°c2$3.6rad/s。3．已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为G(s)= s(0.8s+1)(0.6s+1)G(s)c试设计系统的滞后-超前校正器 ，使之满足。⑴在单位斜坡信号建)=作用下，系统的速度误差系数Kv=10s-1；校正后系统的相位裕量Pm范围为：50°〜60°；校正后系统的剪切频率°c2$1rad/s。4．已知受控对象为一个带延迟的惯性环节，其传递函数为2 e—ios30s+1试用Ziegler-Nichols经验整定公式，分别计算P、PI、PID控制器的参数，并进行阶跃响应仿真。解：由该系统传递函数可知，K=2,T=30,t=10。可采用Ziegler-Nichols经验整定公式中阶跃响应整定法。表6-1PID控制器蕃数的Ziegler-Nichols经验整定公式p控制器类型4由阶舐响应整定4由频域响应整定P3◎P控制器PKt—p—P—P—PI控制器J叫Ku3