控制系统CAD与数字仿真实验指导书新版解析.docx
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控制系统CAD与数字仿真实验指导书新版解析
控制系统CAD及数字仿真实验指导书
自动化系
第一章前言.........................................................2
第二章控制系统CAD及数字仿真实验
1．数据处理方法的MATLAB实现.................................4
2．控制系统建模的MATLAB实现.................................5
3．PID校正设计的MATLAB实现.................................6
4．微分方程的Simulink仿真..................................7
5．S函数的编写和Simulink仿真．........................9
6．图像处理系统的算法和界面设计..........................10
第一章前言
本实验课程是与学科基础选修课程《控制系统CAD及数字仿真》相配合的实践课程。
作为联系自动控制理论、自动控制系统设计、课程设计、毕业设计等教学环节的仿真技术类课程，其不仅可以使学生加强课程的学习效果，而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具，有效加强教学中的实践性教学环节，提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。
开设本课程的目的，主要是培养学生运用MATLAB语言进行编程和仿真的能力，为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。
一、上机实验要求
1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱与SIMULINK软件包。
2、能根据有关控制算法，编写有关的MATLAB程序。
3、能对实验结果进行分析和讨论，得到相关的实验结论。
二、上机实验的基本程序：
1、明确实验任务。
2、提出实验方案。
3、编制有关的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型。
4、进行实验操作，作好观测和记录，保存有关的实验数据。
5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行上机实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。
要做好各个上机实验，就应做到：
实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。
实验一数据处理方法的MATLAB实现
一、实验目的
学会在MATLAB环境下对已知的数据进行处理。
二、实验方法
1.求取数据的最大值或最小值。
2.求取向量的均值、标准方差和中间值。
3．在MATLAB环境下，对已知的数据分别进行曲线拟合和插值。
三、实验设备
1．586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2XCD-ROM
2．MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1．在MATLAB环境下，利用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取数据的最大值或最小值，以及向量的均值、标准方差和中间值。
2．在MATLAB环境下，选择合适的曲线拟合和插值方法，编写程序，对已知的数据分别进行曲线拟合和插值。
x
0.01
1.01
2.01
3.01
4.01
y
2.5437
7.8884
9.6242
11.6701
11.9727
x
5.01
6.01
7.01
8.01
9.01
y
13.2189
14.2679
14.6134
15.4045
15.0805
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下，将已知的数据存到数据文件mydat.dat中。
2.然后用load命令从数据文件mydat.dat中把数据调到MATLAB的工作空间中来。
3.在MATLAB环境下，利用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取数据的最大值或最小值，以及向量的均值、标准方差和中间值。
4.在MATLAB环境下，编写程序，对已知的数据进行曲线拟合和插值。
六、问题与讨论
1、曲线拟合和插值有什么区别？
常用的曲线拟合和插值方法有哪几种，如何用MATLAB函数实现？
2、对数据进行处理有什么实际意义？
3、谈谈实验体会。
实验二控制系统建模的MATLAB实现
一、实验目的
学会在MATLAB环境下对控制系统进行建模。
二、实验方法
1.线性控制系统的建模和模型间的相互转换。
采用tf（）、ss（）等函数建立子系统模型，可以采用ss2tf（）、tf2ss（）等函数来实现模型间的相互转换。
采用feedback（）、series（）等函数进行子系统间的连接。
2.利用BP神经网络对非线性系统进行建模。
研究MATLAB环境下，BP神经网络建立、训练和仿真的方法；利用BP神经网络实现对非线性系统的建模。
三、实验设备
1．586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2XCD-ROM
2．MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1．定摆长起重机运动控制系统动态结构图如下图所示，其中，小车的质量
，吊重质量
，绳长
，摩擦阻尼系数为
，重力加速度取
。
在MATLAB环境下对定摆长起重机运动控制系统进行建模。
2．基于BP网络的肼与过氧化氢反应过程的建模
利用BP神经网络技术模拟肼与过氧化氢的反应过程，以寻找最佳反应条件，用于处理肼类废水。
实验数据如下表所示：
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下，首先用tf（）函数建立起重机运动控制系统中子系统的模型，然后用feedback（）函数建立起重机运动控制系统的模型。
2.在MATLAB环境下，编写程序进行BP神经网络的创建。
3.在MATLAB环境下，编写程序利用肼与过氧化氢反应过程的数据对BP神经网络进行训练。
4.在MATLAB环境下，编写程序对BP神经网络进行测试。
六、问题与讨论
1、控制系统建模的基本方法有哪些？
采用机理模型法的前提是什么？
2、实验中，所建立BP网络的主要参数有哪些，参数设置为多少？
3、谈谈实验体会。
实验三PID校正设计的MATLAB实现
一、实验目的
学会在MATLAB环境下编写程序来研究PID控制系统中参量
、
、
变化时对于系统校正作用的影响；学会编写程序分别用Ziegler-Nichols整定公式和稳定边界法整定公式计算系统P、PI和PID调节器参数。
二、实验方法
1.研究比例控制作用：
编写程序研究在不同的
值下，闭环系统的单位阶跃响应曲线。
2.研究积分控制作用：
令
，编写程序研究在不同的
值下,闭环系统的单位阶跃响应曲线。
3.研究微分控制作用：
令
，编写程序分别研究在不同的
值下,闭环系统的单位阶跃响应曲线。
4.编写程序调用wendingPID.m函数，实现用稳定边界法整定公式计算系统P、PI和PID调节器参数。
三、实验设备
1．586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2XCD-ROM
2．MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1．已知一过程控制系统如下图所示,其中
，
，
，试分析系统调节器
分别采用比例、积分、微分控制对系统的影响。
2.对上述系统，用稳定边界法函数计算系统调节器
用作P、PI、PID校正时的参数,并给出系统的阶跃响应曲线。
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下，编写函数wendingPID.m。
2.编写有关程序，分析实验结果。
六、问题与讨论
1、分析比例、积分、微分控制对系统的影响？
2、什么是稳定边界法？
如何用稳定边界法进行PID校正设计？
3、谈谈实验体会。
实验四微分方程的Simulink仿真
一、实验目的
了解MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下仿真模型的搭建方法；掌握SIMULINK下模型参数和仿真参数的设置方法；学习SIMULINK封装技术——子系统。
二、实验方法
1.在MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下建立起描述该微分方程的模型。
2.对有关模块的参数进行设置后，启动仿真，给出仿真结果。
三、实验设备
1．586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2XCD-ROM
2．MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1．考虑VanderPol方程,其中,初始值为
，
，
。
用Simulink搭建系统的仿真模型，如下所示。
2．考虑简单的线性微分方程：
且方程的初始值为
，
，
，
用Simulink搭建系统的仿真模型。
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下，建立VanderPol方程的仿真模型。
2.设置仿真模型的有关参数后，进行仿真，给出仿真结果。
3.在MATLAB环境下，建立简单的线性微分方程的仿真模型。
4.设置仿真模型的有关参数后，进行仿真，给出仿真结果。
六、问题与讨论
1、在将微分方程转换为Simulink模型时，必须使用什么模块？
2、在Simulink模块下，如果想改变系统的输出方式，同时绘制两条曲线，可以使用什么模块将两路信号混合成一路？
3、谈谈实验体会。
实验五S函数的编写和Simulink仿真
一、实验目的
掌握用MATLAB语言编写S函数的方法。
学习S-Function块在Simulink模型中的使用方法。
二、实验方法
基于M文件S-Function的模板—sfuntmpl.m来编写S函数，实现Simulink模块库的扩展。
三、实验设备
1．586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2XCD-ROM
2．MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1．采用S函数实现模块y=nx，即模块的功能是把一个输入信号n倍以后再输出。
（1）编写S函数timesn.m。
%S函数timesn.m，其输出是输入的n倍
%*************************************************
function[sys,x0,str,ts]=timesn（t,x,u,flag,n）
switchflag,
case0%初始化
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case3%计算输出量
sys=mdlOutputs（t,x,u,n）;
case{1,2,4,9}%未使用的flag值
sys=[];
otherwise%出错处理
error（['Unhandleflag=',num2str（flag）]）;
end
%*************************************************
%mdlInitializeSizes：
当flag为0时进行整个系统的初始化
%*************************************************
2
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes（T）
%调用函数simsizes以创建结构体sizes
sizes=simsizes;
%用初始化信息填充结构体sizes
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=1;
%根据上面的设置设定系统初始化参数
sys=simsizes（sizes）;
%给其他返回参数赋值。
x0=[];
str=[];
ts=[-1,0];
%初始化子程序结束
%*************************************************
%mdlOutputs：
当flag值为3时，计算输出量
%*************************************************
functionsys=mdlOutputs（t,x,u,n）
sys=n*u;
%输出量计算子程序结束。
（2）在Simulink环境下搭建以下仿真模型，进行模块的测试。
2.采用S函数来构造非线性分段函数。
（1）编写S函数
function[sys,x0,str,ts]=sfunction（t,x,u,flag）
switchflag,
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case3,
sys=mdlOutputs（t,x,u）;
case{1,2,4,9}
sys=[];
otherwise
error（['Unhandledflag=',num2str（flag）]）;
end
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=1;
sys=simsizes（sizes）;
x0=[];
str=[];
ts=[00];
functionsys=mdlOutputs（t,x,u）
……
（2）在Simulink环境下搭建以下仿真模型，进行模块的测试。
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下，编写S函数实现Simulink模块。
2.在Simulink环境下搭建仿真模型，进行仿真。
六、问题与讨论
1、谈谈S函数的作用和编写方法？
2、如何在Simulink环境中运行S-Function模块？
3、谈谈实验体会。
实验六图像处理系统的算法和界面设计
一、实验目的
掌握图像处理的基本算法，包括图像的读写、显示；图像的类型转换、图像的几何操作；图像的添加噪声；图像的平滑与滤波等。
了解MATLAB环境下界面设计的基本方法。
二、实验方法
在可视化界面开发环境Guide中进行图像处理系统的界面设计，并添加图像处理的有关程序。
三、实验设备
1．586以上微机，16M以上内存，400M硬盘空间，2XCD-ROM
2．MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1．编写有关程序用插值法进行图像放大或缩小。
2．编写有关程序用插值法进行图像旋转。
3．编写有关程序实现图像平滑处理。
4.编写有关程序实现图像的中值滤波。
5.在可视化界面开发环境Guide进行图像处理系统的界面设计。
如下所示：
五、实验步骤
1.编写图像处理的有关程序。
2.进行界面设计。
六、问题与讨论
1、用什么函数可以进行图像的读取和保存？
2、可视化界面开发环境Guide中有什么控件？
3、谈谈实验体会。
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