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
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得建立
一、实验目得
1、掌握MATLAB/Simulink仿真得基本知识;
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
。
用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型得阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB得工作空间中,在命令窗口绘制该模型得阶跃响应曲线。
3、某控制系统得传递函数为
其中
。
用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型得阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB得工作空间中,在命令窗口绘制该模型得阶跃响应曲线。
4、一闭环系统结构如图所示,其中系统前向通道得传递函数为
而且前向通道有一个[-0、2,0、5]得限幅环节,图中用N表示,反馈通道得增益为1、5,系统为负反馈,阶跃输入经1、5倍得增益作用到系统。
用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型得阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB得工作空间中,在命令窗口绘制该模型得阶跃响应曲线。
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
题1、
（1）利用Simulink得Library窗口中得【File】→【New】,打开一个新得模型窗口。
（2）分别从信号源库（Sourse）、输出方式库（Sink）、数学运算库（Math）、连续系统库（Continuous）中,用鼠标把阶跃信号发生器（Step）、示波器（Scope）、传递函数（TransfernFcn）与相加器（Sum）4个标准功能模块选中,并将其拖至模型窗口。
（3）按要求先将前向通道连好,然后把相加器（Sum）得另一个端口与传递函数与示波器得线段连好,形成闭环反馈。
（4）双击传递函数。
打开其“模块参数设置”对话框,并将其中得numerator设置为“[10]”,denominator设置为“[130]”,将相加器设置为“+-”。
（5）绘制成功后,如图1所示。
（6）对模型进行仿真,运行后双击示波器,得到系统得阶跃响应曲线如图2所示。
图1
图2
题2:
分别将SimulinkLibraryBrowser中得以下模块依次拖到untitled窗口中,连接后便得到整个控制系统得模型,如图3所示。
图3
对模型进行仿真,运行后双击示波器,得到系统得阶跃响应曲线如图4所示。
图4
题3:
（1）在MATLAB中得SimulinkLibraryBrowser窗口下找到符合要求得模块,搭建模型,如图5所示。
图5
（2）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
实验2MATLAB/Simulink在控制系统建模中得应用
一、实验目得
1、掌握MATLAB/Simulink在控制系统建模中得应用;
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,
为输入变量,
为输出变量。
求解这个系统得传递函数模型,零极点增益模型以及状态空间模型（假设
）。
2、已知某双环调速得电流环系统得结构图如图所示。
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,列出该电路得微分方程,如下:
同时还有
整理以上方程,并在零初始条件下,取拉普拉斯变换,可得:
代入具体数值可得
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'）;
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
实验3MATLAB/Simulink在时域分析法中得应用
一、实验目得
1、掌握时域分析中MATLAB/Simulink函数得应用;
2、掌握MATLAB/Simulink在稳定性分析中得应用。
二、实验设备
电脑一台;MATLAB仿真软件一个
三、实验内容
1、某随动系统得结构如图所示。
利用MATLAB完成如下工作:
（1）对给定得随动系统建立数学模型;
（2）分析系统得稳定性,并且绘制阶跃响应曲线;（3）计算系统得稳态误差;（4）大致分析系统得总体性能,并给出理论上得解释。
2、已知某二阶系统得传递函数为
（1）将自然频率固定为
分析
变化时系统得单位阶跃响应;
（2）将阻尼比
固定为
分析自然频率
变化时系统得阶跃响应（
变化范围为0、1~1）。
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
题1:
步骤1求取系统得传递函数。
首先需要对系统框图进行化简。
不难瞧出,题中给出得系统包含两级反馈:
外环就是单位负反馈;内环则就是二阶系统与微分环节构成得负反馈。
可以利用MATLAB中得feedback函数计算出系统得传递函数,代码如下。
cic;
clearaii;
num1=[20];den1=[120];
sys1=tf（num1,den1）;
num2=[0、10];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
这样就得到了系统得总传递函数,即G（s）=20
S^2+4s+20
步骤2进行稳态分析。
根据求得得传递函数,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=-2、0000+4、0000i
-2、0000-4、0000i
系统得零极点分布图如图1所示
图1系统得零极点分布图
步骤3求取阶跃响应
计算系统得阶跃响应:
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];
[y、t、x]=steo（num,den）
plot（x,y）;
gridon;
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中得到系统得不同响应曲线,如下图4,这与编程得结果完全相同得。
图4系统阶跃响应曲线
步骤4分析系统得响应特性。
在上面得语句[y、t、x]=steo（num,den）执行之后,变量y中就存放了系统阶跃响应得具体数值。
从响应曲线中不难瞧出,系统得稳态值为1。
可以利用如下代码计算系统得超调量。
y_stable=1;
max_response=max（y）;
sigma=（max_respomse-y_stable）/y_stable
程序运行结果为
sigma=0、2077
同时可瞧出,系统得稳态误差为0。
示波器error得波形显示如图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得上升时间、峰值时间及调整时间。
如上所述,y中储存了系统阶跃响应得数据;同时,x中方存放了其中每个数据对应得时间,编写代码如下。
fori=1:
length（y）
Ify（i）>y_stable
break;
end
end
tr=x（i）
[max_response,index]=max（y）;
tp=x（index）
fori=1:
length（y）
Ifmax（y（i:
length（y）））<=1、02*y_stable
Ifmin（y（i;length（y）））>0、98*y_stable
break
end
end
end
ts=x（i）
程序运次结果为
tr=0、5298
tp=0、7947
ts=1、9074
即上升时间为0、52s,峰值时间为0、77s,并且系统在经过1、88s后进入稳态。
题2
利用MATLAB建立控制系统得数学模型,并且同时显示Wn=1,阻尼系数取不同值时系统得阶跃响应曲线,代码如下
clc;
clear;
t=linspace（0,20,200）’;
omega=1;
omega2=omega^2;
zuni=[0,0、1,0、2,0、5,1,2,3,5];
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（:
1:
8））;
grid;
gtext（‘zuni=0’）;gtext（‘zuni=0、1’）;gtext（‘zuni=0、2’）;gtext（‘zuni=0、5’）;
gtext（‘zuni=1’）;gtext（‘zuni=2’）;gtext（‘zuni=3’）;gtext（‘zuni=5’）;
运行程序,结果如图6所示
图6固定自然频率,阻尼比变化时系统得阶跃响应曲线
利用MATLAB在一幅图像得上绘制阻尼系数=0、55,Wn从0、1变化到1时系统得阶跃响应曲线,代码如下
clc;
clear;
t=linspace（0,20,200）’;
zuni=0、55;
omega=[0、1,0、2,0、4,0、7,1];
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（:
1:
5））;
grid;
gtext（‘omega=0、1’）;gtext（‘omega=0、2’）;gtext（‘omega=0、4’）;
gtext（‘omega=0、7’）;gtext（‘omega=1、0’）;
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得阶跃响应曲线
实验4MATLAB/Simulink在根轨迹分析法中应用
一、实验目得
1、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹函数;
2、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹得方法。
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得开环传递函数
。
（1）画出这个系统得根轨迹;
（2）确定使闭环系统稳定得增益值
;（3）分析系统得阶跃响应性能;（4）利用rltool对系统得性能进行分析。
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（'¸ù¹ì¼£Í¼'）
输出结果:
实验代码3:
[k,poles]=rlocfind（sys）
输出结果:
[k,poles]=rlocfind（sys）
使用rltool进行分析:
K=6
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
实验5MATLAB/Simulink在频域分析法中得应用
一、实验目得
1、掌握MATLAB绘制伯德图与乃奎斯特曲线;
2、熟练应用MATLAB分析稳定裕度。
二、实验设备
电脑一台;MATLAB仿真软件一个
三、实验内容
1、已知晶闸管-直流电机开环系统结构图如图所示。
试用Simulink动态结构图进行频域分析并求频域性能指标。
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
步骤1
在SIMULINK中建立该系统得动态模型,如下图,并将模型存为“Samples_7_9、mal”。
步骤2求取系统得线性状态空间模型,并求取频域性能指标。
在MATLAB命令窗口中运行以下命令。
[A,B,C,D]=linmod（'Samples_7_9'）;
sys=ss（A,B,C,D）;
margin（sys）;
程序运行后,输出如下图所示曲线:
从图中可以瞧出:
幅值裕度GM=26、4dB,穿越频率为152rad/sec;
相位裕度PM=54deg,穿越频率为25、5rad/sec。
实验6MATLAB_Simulink在控制系统校正中得应用
一、实验目得
1、掌握建立控制系统得数学模型及设计系统得串联校正装置;
2、了解校正前后系统性能得比较。
二、实验设备
电脑一台;MATLAB仿真软件一个
三、实验内容
1、某单位负反馈控制系统得开环传递函数
设计一个串联得校正装置,使校正后得系统静态速度误差系数
相角裕度
增益裕量
。
步骤1:
确定开环传递函数中得系数K。
系统得静态速度误差系数计算公式为
LimsG（s）lim=K*S=limK=K
s（s+1）（s+2）（s+1）（s+2）2
根据题目要求,校正后得系统静态误差系数最小为10s*-1,因此可求得K＝20,故可求得系统得开环传递函数为G（s）=20
S（s+1）（s+2）。
步骤2:
建立控制系统得数学模型
代码如下:
clc;
clear;
num_open=[020];
den_open=conv（conv（[10],[11]）,[12]）;
sys_open=tf（num_open,den_open）
步骤3:
分析系统得动态特性
代码如下:
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin（sys_open）
margin（sys_open）;
运行结果为:
Gm=0、3000
Pm=-28、0814
Wcg=1、4142
Wcp=2、4253
系统响应曲线如图1
图1
步骤4:
设计系统得串联校正装置
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=[10、1];
den_zhihou=[10、01];
sys_zhihou=tf（num_zhihou,den_zhihou）;
sys_new=sys_open*sys_zhihou
margin（sys_new）;
再设计超前校正,系统响应曲线如图3
图3
不难瞧出此时闭环系统得增益裕量为13、3,相角裕量为52、5,增益穿越频率为1、37;各项参数均符合题设要求。
相应代码如下:
num_chaoqian=[10、5];den_chaoqian=[15];
sys_chaoqian=tf（num_chaoqian,den_chaoqian）;
sys_new=sys_new*sys_chaoqian;
margin（sys_new）;
对比校正前后系统得频率响应如图4
图4
代码如下:
figure
（1）;
bode（sys_open）;
holdon;
bode（sys_new）;
gtext（'УÕýÇ°µÄ'）;gtext（'УÕýºóµÄ'）;gtext（'УÕýÇ°µÄ'）;gtext（'УÕýºóµÄ'）;
gridon
综上所述,校正后得开环传递函数为
20s^2+12s+1
----------------------------------
s^5+8、01s^4+17、08s^3+10、17s^2+0、1s
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
实验7MATLAB/Simulink在非线性系统中得应用
一、实验目得
1、掌握非线性系统阶跃响应得分析。
二、实验设备
电脑一台;MATLAB仿真软件一个
三、实验内容
1、给定如图所示得单位负反馈系统。
在系统中分别引入不同得非线性环节（饱与、死区与磁滞）,观察系统得阶跃响应,并且分析、比较不同得非线性环节对系统性能得影响。
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、实验结果及分析与实验体会。
五、实验思考题
总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。
步骤1利用MATLAB中得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得系统,其阶跃响应曲线如下图2。
图1
图2
步骤2在系统中加入饱与非线性环节,系统框图3所示,其中,饱与非线性环节得输出上限为0、1,输出下限为-0、1;阶跃信号幅值为1
图3
利用simulink进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图4
图4
为了比较饱与非线性环节得输出上下限变化时系统阶跃响应得不同,可以利用simulink中得ToWorkspace模块,将多次仿真得结果记录到工作空间得不同数组中,并且绘制在同以一幅图像上,此时,系统框图如图5。
图5
设定饱与非线性环节输出上限为0、05,输出下限为-0、05,将仿真得结果记录到工作空间中得变量out1中;输出上限为0、1输出下限为-0、1时,仿真结果存放在out2中;输出上限为0、2,输出下限为-0、2时,仿真结果存放在out3中;输出上限为0、5,输出下限为-0、5时,仿真结果存放在out4中。
将4种情况下系统得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（'0、05'）;
plot（tout2,out2）;
gtext（'0、1'）;
plot（tout3,out3）;
gtext（'0、2'）;
plot（tout4,out4）;
gtext（'0、5'）;
运行程序,结果如下图6:
图6
从图6中可以瞧出,当饱与非线性环节得输出范围较窄时,系统得阶跃响应速度较慢,上升时间长;同时,超调量较小,振荡不明显;随着输出范围得扩大,系统得响应速度加快,上升时间大大减少,同时伴有显著得振荡。
这就是因为饱与环节会对信号起到限幅作用。
不难想象,限制作用越强,系统得输出越不容易超调,响应也会越慢,这从图6中夜可以瞧出这一趋势。
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[-0、1,0、1];
阶跃信号幅值为1。
图7
利用simulink进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图7所示。
同样,为了对比范围不同时系统得阶跃响应,采用Simulink中得ToWorkspace模块,将仿真得结果保存在工作空间得数组里。
绘制阶跃响应曲线得代码如下:
plot（tout1,out1）;
holdon;
gridon;
gtext（'0、2’）;
plot（tout2,out2）;
gtext（'0、5’）;
plot（tout3,out3）;
gtext（'1、0’）;
plot（tout4,out4）;
gtext（'2、0’）;
运行程序,结果如图8:
图8
图中曲线上标注得0、2、0、5、1、0、2、0表示死区范围,不难瞧出,随着死区范围得增加,系统开始响应阶跃输入信号得时刻也逐渐推迟。
这就是因为死区环节会将死区内得输入“忽略”,使得系统得响应变慢。
步骤4尝试在系统中同时加入死区单元与饱与单元,系统框图如图9所示。
图9
利用simulinh进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图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:
实验8MATLAB/Simulink在离散控制系统中得应用
一、实验目得
1、掌握
2、了解采样周期对离散系统稳定性得影响。
二、实验设备
电脑一台;MATLAB仿真软件一个
三、实验内容
1、建立题目中要求得数学模型,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:
1、5z-0、5
-------------
z^2-2z+1
Samplingtime:
1
2、绘制系统得根轨迹。
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得开环增益为K=0;也就就是说,使闭环系统稳定得K得范围就是0为了验证这一结论,可以绘制系统幅频特性曲线与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_discr
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