MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告.docx
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MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告
MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告
MATLAB/Simulink与控制系统仿真实验报告
姓名：
喻彬彬 学号：
K031541725
实验1、MATLAB/Simulink仿真基础及控制系统模型的建立
一、实验目的
1、掌握MATLAB/Simulink仿真的基本知识；2、熟练应用MATLAB软件建立控制系统模型。
二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
1、熟悉MATLAB/Smulink仿真软件。
2、一个单位负反馈二阶系统，其开环传递函数为G（s）10。
用Simulink建立该s23s控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
3、某控制系统的传递函数为
Y（s）G（s）s50。
用Simulink建
其中G（s）2X（s）1G（s）2s3s立该控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
4、一闭环系统结构如图所示，其中系统前向通道的传递函数为
20，而且前向通道有一个[-，]的限幅环节，图中用N表G（s）s12s20s示，反馈通道的增益为，系统为负反馈，阶跃输入经倍的增益作用到系统。
用Simulink建立该控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
四、实验报告要求
实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
1
题1、
利用Simulink的Library窗口中的【File】→【New】，打开一个新的模型窗口。
分别从信号源库、输出方式库、数学运算库、连续系统库中，用鼠标把阶跃信号发生器、示波器、传递函数和相加器4个标准功能模块选中，并将其拖至模型窗口。
按要求先将前向通道连好，然后把相加器的另一个端口与传递函数和示波器的线段连好，形成闭环反馈。
双击传递函数。
打开其“模块参数设置”对话框，并将其中的numerator设置为“[10]”，denominator设置为“[130]”，将相加器设置为“+-”。
绘制成功后，如图1所示。
对模型进行仿真，运行后双击示波器，得到系统的阶跃响应曲线如图2所示。
图1
图2
题2：
分别将SimulinkLibraryBrowser中的以下模块依次拖到untitled窗口中，连接后便得到整个控制系统的模型，如图3所示。
2
图3
对模型进行仿真，运行后双击示波器，得到系统的阶跃响应曲线如图4所示。
图4题3：
在MATLAB中的SimulinkLibraryBrowser窗口下找到符合要求的模块，搭建模型，如图5所示。
图5
3
修改各模块参数，运行仿真，单击“start”,点击示波器，得到如下结果，图6
图6
4
实验2MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用
一、实验目的
1、掌握MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用；二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
1、给定RLC网络如图所示。
其中，ui（t）为输入变量，u0（t）为输出变量。
求解这个系统的传递函数模型，零极点增益模型以及状态空间模型。
2、已知某双环调速的电流环系统的结构图如图所示。
试采用Simulink动态结构图求其线性模型。
题1：
步骤1
从数学上求出系统传递函数。
根据电路基本定理，列出该电路的微分方程，如下：
R1i1Ldi3u0uidti1i2i3
同时还有uoi3R2
i2C
ddi3
uoL
dtdt
整理以上方程，并在零初始条件下，取拉普拉斯变换，可得：
5
G（s）Uo（s）Ui（s）1LR1（R1Cs1）s1RR2212s2s2
代入具体数值可得G（s）步骤2使用MATLAB程序代码如下。
clearall;
num=[0,1];den=[122];sys_tf=tf（num,den）[z,p,k]=tf2zp（num,den）sys_zpk=zpk（z,p,k）[A,B,C,D]=zp2ss（z,p,k）;sys_ss=ss（A,B,C,D）step（sys_tf）;
[A,B,C,D]=linmod（'Samples_4_12'）
[num,den]=ss2tf（A,B,C,D）;printsys（num,den,'s'）;
6
四、实验报告要求
实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
7
实验3MATLAB/Simulink在时域分析法中的应用
一、实验目的
1、掌握时域分析中MATLAB/Simulink函数的应用；2、掌握MATLAB/Simulink在稳定性分析中的应用。
二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
1、某随动系统的结构如图所示。
利用MATLAB完成如下工作：
对给定的随动系统建立数学模型；分析系统的稳定性，并且绘制阶跃响应曲线；计算系统的稳态误差；大致分析系统的总体性能，并给出理论上的解释。
2、已知某二阶系统的传递函数为G（s）n，将自然频率固定为n1，2s22nsn分析变化时系统的单位阶跃响应；将阻尼比固定为，0,,...,1,2,3,5，分析自然频率n变化时系统的阶跃响应。
四、实验报告要求
实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
题1：
步骤1求取系统的传递函数。
首先需要对系统框图进行化简。
不难看出，题中给出的系统包含两级反馈：
外环是单位负反馈；内环则是二阶系统与微分环节构成的负反馈。
可以利用MATLAB中的feedback函数计算出系统的传递函数，代码如下。
cic;
clearaii;
num1=[20];den1=[120];sys1=tf（num1,den1）;
8
num2=[0];den2=[01];sys2=tf（num1,den2）;
sys_inner=feedback（sys1,sys2）;sys_outer=feedback（sys_inner,1）程序运行结果为:
Transferfunction:
20--------------s^2+4s+20
这样就得到了系统的总传递函数，即G= 20 S^2+4s+20步骤2进行稳态分析。
根据求得的传递函数，对系统进行稳态性分析，代码如下：
den=[1420];roots（den）
pzmap（sys_outer）;gridon;
程序运行结果如下：
ans=-+ --
系统的零极点分布图如图1所示
Pole-ZeroAxis
图1系统的零极点分布图
步骤3求取阶跃响应
计算系统的阶跃响应：
可以采用MATLAB编程实现，还可以利用simulink对系统进行建模，直接观察响应曲线。
MATLAB程序代码如下：
num=[20];den=[1420];=steo（num,den）plot（x,y）;gridon;
9
程序运行结果如图2所示
图2系统阶跃响应曲线
采用simulink对系统进行建模，如图3所示
图3利用Simulink对系统建模
可以从scope中得到系统的不同响应曲线，如下图4，这与编程的结果完全相同的。
图4系统阶跃响应曲线
10
步骤4分析系统的响应特性。
在上面的语句=steo（num,den）执行之后，变量y中就存放了系统阶跃响应的具体数值。
从响应曲线中不难看出，系统的稳态值为1。
可以利用如下代码计算系统的超调量。
y_stable=1;
max_response=max（y）;
sigma=（max_respomse-y_stable）/y_stable程序运行结果为sigma=
同时可看出，系统的稳态误差为0。
示波器error的波形显示如图5所示，可见，当阶跃输入作用系统2s后，输出就基本为1了。
图5系统误差曲线
还可以精确计算出系统的上升时间、峰值时间及调整时间。
如上所述，y中储存了系统阶跃响应的数据；同时，x中方存放了其中每个数据对应的时间，编写代码如下。
fori=1:
length（y） Ify（i）>y_stable break; endendtr=x（i）
[max_response,index]=max（y）;tp=x（index）
fori=1:
length（y）
Ifmax（y（i:
length（y）））*y_stable break end endendts=x（i）
程序运次结果为tr= tp= ts=
11
即上升时间为，峰值时间为，并且系统在经过后进入稳态。
题2
利用MATLAB建立控制系统的数学模型，并且同时显示Wn=1,阻尼系数取不同值时系统的阶跃响应曲线，代码如下clc;clear;
t=linspace（0,20,200）’;omega=1;
omega2=omega^2;
zuni=[0,,,,1,2,3,5];num=omega2;fork=1:
8
den=[12*zuni（k）*omegaomega2]; sys=tf（num,den）; y（:
k）=step（sys,t）;end
figure
（1）;
plot（t,y）；grid;
gtext（‘zuni=0’）;gtext（‘zuni=’）;gtext（‘zuni=’）;gtext（‘zuni=’）;gtext（‘zuni=1’）;gtext（‘zuni=2’）;gtext（‘zuni=3’）;gtext（‘zuni=5’）;运行程序，结果如图6所示
=0zuni====1zuni=2zuni=3zuni=52468101214161820
图6固定自然频率，阻尼比变化时系统的阶跃响应曲线
利用MATLAB在一幅图像的上绘制阻尼系数=，Wn从变化到1时系统的阶跃响应曲线，代码如下
12
clc;clear;
t=linspace（0,20,200）’;zuni=;
omega=[,,,,1];omega2=omega^2;fork=1:
5
num=omega2（k）;
den=[12*zuni*omega（k）omega2（k）]; sys=tf（num,den）; y（:
k）=step（sys,t）;end
figure
（2）;
plot（t,y）；grid;
gtext（‘omega=’）;gtext（‘omega=’）;gtext（‘omega=’）;gtext（‘omega=’）;gtext（‘omega=’）;运行代码，结果如图7所示
=====
图7固定阻尼系数，自然频率变化时系统的阶跃响应曲线
13
实验4MATLAB/Simulink在根轨迹分析法中应用
一、实验目的
1、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹函数；2、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹的方法。
二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
1、已知单位负反馈控制系统的开环传递函数G（s）k（s1）。
画出这个
s（s1）（s4）系统的根轨迹；确定使闭环系统稳定的增益值k；分析系统的阶跃响应性能；利用rltool对系统的性能进行分析。
实验代码1：
clc;clear;num=[11];
den=conv（[10],conv（[1-1],[14]））;sys=tf（num,den）
输出结果：
Transferfunction:
s+1-----------------s^3+3s^2-4s
实验代码2：
rlocus（sys）;gridon;
title（'ù1ì￡í'）
输出结果：
14
图1
步骤4：
设计系统的串联校正装置
首先设计滞后环节，假定系统增益穿越频率为1,取零极点之比为10,系统响应曲线如图2
图2
相应代码如下：
num_zhihou=[1];den_zhihou=[1];
sys_zhihou=tf（num_zhihou,den_zhihou）;sys_new=sys_open*sys_zhihoumargin（sys_new）;
再设计超前校正，系统响应曲线如图3
20
图3
不难看出此时闭环系统的增益裕量为,相角裕量为,增益穿越频率为；各项参数均符合题设要求。
相应代码如下：
num_chaoqian=[1];den_chaoqian=[15];sys_chaoqian=tf（num_chaoqian,den_chaoqian）;sys_new=sys_new*sys_chaoqian;margin（sys_new）;
对比校正前后系统的频率响应如图4
图4
代码如下：
figure
（1）;bode（sys_open）;holdon;bode（sys_new）;
gtext（'D￡y°μ'）;gtext（'D￡yoóμ'）;gtext（'D￡y°μ'）;gtext（'D￡yoóμ'）;gridon
综上所述，校正后的开环传递函数为
20s^2+12s+1----------------------------------
s^5+s^4+s^3+s^2+
四、实验报告要求
实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题
21
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
实验7MATLAB/Simulink在非线性系统中的应用
一、实验目的
1、掌握非线性系统阶跃响应的分析。
二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
1、给定如图所示的单位负反馈系统。
在系统中分别引入不同的非线性环节，观察系统的阶跃响应，并且分析、比较不同的非线性环节对系统性能的影响。
四、实验报告要求
实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
步骤1利用MATLAB中的simulink工具箱，对题设控制系统进行建模，如下图1，没有任何非线性环节的系统，其阶跃响应曲线如下图2。
图1
图2
22
步骤2在系统中加入饱和非线性环节，系统框图3所示，其中，饱和非线性环节的输出上限为,输出下限为-；阶跃信号幅值为1
图3
利用simulink进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图4
图4
为了比较饱和非线性环节的输出上下限变化时系统阶跃响应的不同，可以利用simulink中的ToWorkspace模块，将多次仿真的结果记录到工作空间的不同数组中，并且绘制在同以一幅图像上，此时，系统框图如图5。
23
图5
设定饱和非线性环节输出上限为,输出下限为-,将仿真的结果记录到工作空间中的变量out1中；输出上限为输出下限为-时，仿真结果存放在out2中；输出上限为,输出下限为-时，仿真结果存放在out3中；输出上限为，输出下限为-时，仿真结果存放在out4中。
将4种情况下系统的阶跃响应曲线绘制在同一幅图像中，代码如下。
plot（tout1,out1）;holdon;gridon;gtext（''）;plot（tout2,out2）;gtext（''）;plot（tout3,out3）;gtext（''）;plot（tout4,out4）;gtext（''）;
运行程序，结果如下图6：
图6
从图6中可以看出，当饱和非线性环节的输出范围较窄时，系统的阶跃响应速度较慢，上升时间长；同时，超调量较小，振荡不明显；随着输出范围的扩大，系统的响应速度加快，上升时间大大减少，同时伴有显著的振荡。
这是因为饱和环节会对信号起到限幅作用。
不难想象，限制作用越强，系统的输出越不容易超调，响应也会越慢，这从图6中夜可以看出这一趋势。
步骤3在系统中引入死区非线性环节，系统框图如图7所示。
其中，死区范围为[-,]；阶跃信号幅值为1。
24
图7
利用simulink进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图7所示。
同样，为了对比范围不同时系统的阶跃响应，采用Simulink中的ToWorkspace模块，将仿真的结果保存在工作空间的数组里。
绘制阶跃响应曲线的代码如下：
plot（tout1,out1）;holdon;gridon;gtext（'’）;plot（tout2,out2）;gtext（'’）;plot（tout3,out3）;gtext（'’）;plot（tout4,out4）;gtext（'’）;
运行程序，结果如图8：
图8
图中曲线上标注的、、、表示死区范围，不难看出，随着死区范围的增加，系统开始响应阶跃输入信号的时刻也逐渐推迟。
这是因为死区环节会将死区内的输入“忽略”，使得系统的响应变慢。
25
步骤4尝试在系统中同时加入死区单元和饱和单元，系统框图如图9所示。
图9
利用simulinh进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图10所示：
图10
步骤5在系统中引入滞环非线性环节。
结果如下：
26
实验8MATLAB/Simulink在离散控制系统中的应用
一、实验目的
1、掌握
2、了解采样周期对离散系统稳定性的影响。
二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
1、建立题目中要求的数学模型，MATLAB代码如下。
clc;clear;Ts=1;num=[1,1];den=[1,0,0];
sys_continue=tf（num,den）
sys_discrete=c2d（sys_continue,Ts,'zoh'）sys_k=1;
sys_open=sys_k*sys_discrete运行结果如下Transferfunction:
z--------------z^2-2z+1
27
Samplingtime:
1
2、绘制系统的根轨迹。
代码如下
figure
（1）;rlocus（sys_discrete）;
运行结果如图1所示。
图1
从图中可以读到交点出的开环增益为K=0；也就是说，使闭环系统稳定的K的范围是0为了验证这一结论，可以绘制系统幅频特性曲线和Nyquist曲线，代码如下
sys_k=2;figure
（2）;
margin（sys_k*sys_discrete）;figure（3）;
[dnum,dden]=tfdata（sys_k*sys_discrete,'v'）dnyquist（dnum,dden,Ts）gridon;
28
系统幅频特性曲线
Nyquist曲线
从图中可以看出，K=2时，系统处于临界稳定状态，Nyquist曲线恰好穿过点。
可以确，系统稳定时，K的取值范围是。
3、分析系统的阶跃响应。
给K赋予不同的值，代码如下。
sys_k=1;figure（4）;
sys_close=feedback（sys_k*sys_discrete,1）;[dnumc,ddenc]=tfdata（sys_close,'v'）;dstep（dnumc,ddenc,25）;sys_k=2;figure（5）;
29
sys_close=feedback（sys_k*sys_discrete,1）;[dnumc,ddenc]=tfdata（sys_close,'v'）;dstep（dnumc,ddenc,25）;sys_k=3;figure（6）;
sys_close=feedback（sys_k*sys_discrete,1）;[dnumc,ddenc]=tfdata（sys_close,'v'）;dstep（dnumc,ddenc,25）;
运行结果如图所示
30
4、分析采样周期对系统稳定性的影响。
取TS=和TS=2，代码如下
sys_k=2;figure（7）;Ts=;
sys_discrete=c2d（sys_continue,Ts,'zoh'）sys_close=feedback（sys_k*sys_discrete,1）;[dnumc,ddenc]=tfdata（sys_close,'v'）;dstep（dnumc,ddenc,25）;sys_k=2;figure（8）;Ts=2;
sys_discrete=c2d（sys_continue,Ts,'zoh'）sys_close=feedback（sys_k*sys_discrete,1）;[dnumc,ddenc]=tfdata（sys_close,'v'）;dstep（dnumc,ddenc,25）;
结果如图所示
31
四、实验报告要求
实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
32
MATLAB/Simulink与控制系统仿真实验报告
姓名：
喻彬彬 学号：
K031541725
实验1、MATLAB/Simulink仿真基础及控制系统模型的建立
一、实验目的
1、掌握MATLAB/Simulink仿真的基本知识；2、熟练应用MATLAB软件建立控制系统模型。
二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容
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