MATLAB控制新版系统仿真实验报告.docx
《MATLAB控制新版系统仿真实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MATLAB控制新版系统仿真实验报告.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
MATLAB控制新版系统仿真实验报告
清华大学自动化工程学院
试验汇报
课程：
控制系统仿真
专业自动化班级122
姓名学号
指导老师：
时间：
年10月19日—10月28日
试验一MATLAB环境熟悉和基础运算…………………………………………………1
试验二MATLAB语言程序设计…………………………………………………………6
试验三MATLAB图形绘制………………………………………………………………9
试验四采取SIMULINK系统仿真……………………………………………………14
试验五控制系统频域和时域分析………………………………………………………17
试验六控制系统PID校正器设计法………………………………………………………23
试验一MATLAB环境熟悉和基础运算
一、试验时间及地点：
试验时间：
.10.19早晨8:
30—9:
30
试验地点：
计算中心
二、试验目标：
1．熟悉MATLAB开发环境
2．掌握矩阵、变量、表示式多种基础运算
三、试验内容：
1、新建一个文件夹（自己名字命名，在机器最终一个盘符）
2、开启MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。
3、保留，关闭对话框
4、学习使用help命令，比如在命令窗口输入helpeye，然后依据帮助说明，学习使用指令eye（其它不会用指令，依据此方法类推）
5、学习使用clc、clear，观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口改变结果。
6、初步程序编写练习，新建M-file，保留（自己设定文件名，比如exerc1、exerc2、exerc3……），学习使用MATLAB基础运算符、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修改后，全部要存盘。
练习A：
（1）helprand，然后随机生成一个2×6数组，观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口改变结果
（2）学习使用clc、clear，了解其功效和作用
（3）输入一个2维数值数组，体会标点符号作用（空格和逗号作用）。
（4）一维数组创建和寻访，创建一个一维数组（1×8）X，查询X数组第2个元素，查询X数组第3个元素到第6个元素，查询X数组第5个元素到最终一个元素，查询X数组第3、2、1个元素，查询X数组中≤5元素，将X数组第2个元素重新赋值为111，实例expm1。
（5）二维数组创建和寻访，创建一个二维数组（4×8）A，查询数组A第2行、第3列元素，查询数组A第2行全部元素，查询数组A第6列全部元素，查询数组A按列拉长形成新数组B（1×8），查询数组A按行拉长形成新数组C（1×8），以全元素赋值方法对数组A赋值。
（6）两种运算指令形式和实质内涵比较。
设有3个二维数组A2×4，B2×4，C2×2，写出全部由2个数组参与正当数组运算和矩阵指令
（7）学习使用表8列常见函数（经过help方法）
（8）学习使用表9数组操作函数
（9）学习字符串创建，a='Thisisanexample.'
串数组大小size（a）
串数组元素标识a14=a（1:
4）ra=a（end:
-1:
1）
对字符串ASCLL码数组操作
w=find（a>='a'&a<='z'）;
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）创建符号对象和函数命令sym（）、syms（）和class（）熟悉和利用。
有符号表示式：
试计算
和
四、试验操作过程（试验说明）
>>helprand%用help指令学习rand使用方法
rand-Uniformlydistributedpseudorandomnumbers
ThisMATLABfunctionreturnsapseudorandomscalardrawnfromthestandard
uniformdistributionontheopeninterval（0,1）.
r=rand
r=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数组
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=
12
34
>>[1,2;3,4]%将空格改为逗号效果一致
ans=
12
34
>>a=[1234;5678];
>>b=a（2:
2,3:
4）%逗号前面是行，后面是列，冒号前后数表示所选范围
b=
78
>>eye（3）%产生单位矩阵
ans=
100
010
001
>>magic（3）%产生魔方矩阵
ans=
816
357
492
>>flipud（ans）%以数组“水平中线”为对称轴，交换上下对称位置上元素
ans=
492
357
816
>>rot90（ans）%逆时针旋转数组90°
ans=
276
951
438
>>a='hello'
a=
hello
>>b=size（a）%字符串a大小为1x5
b=
15
>>symsxypkabc%创建符号对象
>>e1=x^2*a*c*y+a*p*x^2+b*p*x+c*k*y+k*p%创建函数命令
e1=
k*p+a*p*x^2+c*k*y+b*p*x+a*c*x^2*y
>>e2=c*y+p
e2=
p+c*y
>>e1/e2
ans=
（k*p+a*p*x^2+c*k*y+b*p*x+a*c*x^2*y）/（p+c*y）
>>a=[12]
a=
12
>>c=reshape（a,2,1）%改变数组a行数和列数
c=
1
2
五、试验结果及讨论
1.熟悉了MATLAB基础软件操作。
2.经过此次试验熟悉了MATLAB开发环境掌握了矩阵、变量、表示式多种运算了解了*和.*、/和\、^和.^等区分和绝对值、开方e阶乘、正弦、正切运算符号。
3.让我明白了MATLAB实用性。
试验二MATLAB语言程序设计
一、试验时间及地点：
试验时间：
.10.19早晨8:
30—9:
30
试验地点：
黄岛老校区计算中心
二、试验目标：
1、熟悉MATLAB程序编辑和设计环境
2、掌握多种编程语句语法规则及程序设计方法
3、函数文件编写和设计
4、了解和熟悉跨空间变量传输和赋值
三、试验内容：
练习A
1、熟悉MATLAB程序编辑和设计环境
2、用for循环语句实现求1～100和
3、用for循环语句实现编写一个求
阶乘函数文件
练习B
思索题
4、已知一维数组
、
，用for循环语句实现
。
求和函数可用
5、
（1）编写求解一维数组平均值函数文件。
（2）编写求解二维数组平均值函数文件。
四、试验操作过程（试验说明）
1．用for循环语句实现求1～100和，函数名为theSec（）.
程序：
a=0;
fori=1:
100
a=i+a;
end
fprintf（'%d\n',a）
实施结果：
>>theSec%求1～100和
5050
2．用for循环语句实现编写一个求
阶乘函数文件，函数名为jiex（x）.
程序：
functionjiex（x）
a=1;
fori=1:
x
a=a*i;
end
fprintf（'%d\n',a）
实施结果：
>>jiex（4）%求4阶乘
24
3.已知一维数组
、
，用for循环语句实现
。
求和，函数名用ABsum（）
程序：
functiony=ABsum（）
a=[2,4,5,8,10];
b=[4,9,6,7,4];
n=5;
sum=0;
fori=1:
n
sum=sum+a（1,i）*b（1,n-i+1）;
end
y=sum;
实施结果：
>>ABsum（）
ans=
178
4.编写求解任意数组平均值函数文件，函数名为avg（f）.
程序：
functiony=avg（f）
[m,n]=size（f）;
sum=0;
fori=1:
m
forj=1:
n
sum=sum+f（i,j）;
end
end
y=sum/（m*n）;
实施结果：
>>a=[1,2,3,4;5,6,7,8]%定义一个数组
a=
1234
5678
>>avg（2*a）%求数组2*a平均值
ans=
9
五、试验结果及讨论
1.编程语句：
循环语句有for循环和while循环，我习惯使用for循环，使用格式以下：
for循环变量=表示式1（初值）：
表示式2（增量）：
表示式3（终值）
循环语句组
end
条件判定语句if语句格式为：
if表示式
实施语句
end
试验三MATLAB图形绘制
一、试验时间及地点：
试验时间：
.10.21早晨8:
30—9:
30
试验地点：
黄岛老校区计算中心
二、试验目标：
1、学习MATLAB图形绘制基础方法；
2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑基础指令；
3、熟悉掌握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形多种标注；
4、掌握plot、subplot指令格式和语法。
三、试验内容：
练习A
【1】二维曲线绘图基础指令演示。
t=（0:
pi/50:
2*pi）';
k=0.4:
0.1:
1;
Y=cos（t）*k;
plot（t,Y）
plot指令基础操作演示
【2】用图形表示连续调制波形
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]）
【3】经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，包含指令较广。
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）]）
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）;holdoff
cell_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'）
二阶阶跃响应图标识
四、试验操作过程（试验说明）
1.二维曲线绘图基础指令演示：
>>t=（0:
pi/50:
2*pi）';
k=0.4:
0.1:
1;
Y=cos（t）*k;
plot（t,Y）
实施结果：
（图3-1）
图3-1
2.用图形表示连续调制波形
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]）
实施结果：
（图3-2）
图3-2
3.经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）;holdoff
cell_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'）
实施结果：
（图3-3）
图3-3
五、试验结果及讨论
1，经过这次试验，我学会了MATLAB图形绘制基础方法，掌握了MATLAB图形绘制程序编辑基础指令，而且还知道了利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形多种标注。
2，感觉到了MATLAB强大，而且很实用。
试验四采取SIMULINK系统仿真
一、试验时间及地点：
试验时间：
.10.21早晨8:
30—9:
30
试验地点：
黄岛老校区计算中心
二、试验目标：
1、熟悉SIMULINK工作环境及特点
2、掌握线性系统仿真常见基础模块使用方法
3、掌握SIMULINK建模和仿真方法
4、子系统创建和封装设计
1、试验内容：
练习A
1、SIMULINK仿真实际应用，建立双环调速电流环系统方框图模型，模型参数设为Ks=44；Ts=0.00167；Ta=0.017；R=1；Tm=0.075；Ce=0.1925；Kt=0.01178；T1=0.049；T2=0.088，
（1）在Simulink集成环境下建立模型，在给定信号作用点处输入单位给定阶跃响应信号，0.3秒后在扰动信号点输入单位阶跃响应信号。
并绘制对应响应曲线
（2）计算仿真结果超调量、上升时间、调整时间、稳态误差。
（3）设计PID调整器替换图中百分比积分调整器，调整
，
，
用使系统满足超调量15%，上升时间0.3s，调整时间0.4s要求。
（4）要求对加入PID控制器封装成一个模块使用
封装步骤1创建子系统
封装步骤2封装子系统
封装步骤3设置参数
封装步骤4修改和设计模块图标
四、试验操作过程（试验说明）
1.画出双环调速电流环系统方框图模型，并在Simulink集成环境下建立模型：
（图4-1）
图4-1
2.绘制对应响应曲线：
（图4-2）
图4-2
五、试验结果及讨论
1、SIMULINK基础操作：
1）开启SIMULINK软件包：
能够在MATLAB命令窗口键入“SIMULINK”命令，回车后将弹出SIMULINK图形库浏览器（SIMULINKLIBRARYBREWSER）界面，也能够选择“SIMULINK>LIBRARYBREWSER”一样能够打开该界面；
2）SIMULINK用户接口：
SIMULINK仿真模型编译器界面有菜单栏、工具栏、状态栏等，经过这些接口能够调整仿真运行时间，仿真模式等，能够查看仿真运行进度等信息。
3）构建SIMULINK框图：
用鼠标将模块库中所需模块拖至系统模型中，然后添加连线将各个模块连接起来，模型中能够包含WORKSPACE中已定义变量；
4）运行：
点击仿真模型编译器界面中运行按钮，系统会在输入信号作用下输出，经过SCOPE模块能够查看输出响应曲线，经过TOWORKSPACE模块能够将输出立即间信号送至工作区。
试验五控制系统频域和时域分析
一、试验时间及地点：
试验时间：
.10.28早晨8:
30-9:
30
试验地点：
黄岛老校区计算中心
二、试验目标：
1、掌握控制系统数学模型基础描述方法和相互转化
2、了解控制系统稳定性分析方法
3、掌握控制系统频域和时域分析基础方法
三、试验内容：
练习A：
1、
表示下列传输函数模型,并转化成其它数学模型
（1）
（2）
（3）
（4）
2、一个单位负反馈开环传输函数为
试绘出系统闭环根轨迹图；并在跟轨迹图上任选一点，试计算该点增益
及其全部极点位置
四、试验操作过程（试验说明）
>>num=[4,-2]
num=
4-2
>>den=[1025]
den=
1025
>>Gs=tf（num,den）
Gs=
4s-2
----------------
s^3+2s+5
Continuous-timetransferfunction.
>>
>>
>>
>>num=0.5;
>>den=[12.51];
>>Gs=tf（num,den）
Gs=
0.5
-------------------
s^2+2.5s+1
Continuous-timetransferfunction.
>>
>>
>>
>>k=1;
>>num=k;
>>den=[24.510];
>>Gs=tf（num,den）
Gs=
1
--------------------------
2s^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）%绘制系统闭环根轨迹图（图5-1）
图5-1
>>pzmap（Ms）%绘制零极点图（5-2）
图5-2
>>[p,z]=pzmap（Ms）
p=
0.0000+0.0000i
-2.1254+0.0000i
-2.0000+0.0000i
-0.0623+0.4810i
-0.0623-0.4810i
-0.2500+0.0000i
z=
0
-2.0000
-0.2500
>>[k,poles]=rlocfind（Ms）
Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
0.5795+0.4927i
k=
4.1162
poles=
0.0000+0.0000i
-2.4675+0.0000i
-2.0000+0.0000i
0.1088+1.0124i
0.1088-1.0124i
-0.2500+0.0000i
五、试验结果及讨论
1.MATLAB经过函数tf（num,den）建立传输函数模型，经过zpk（z,p,k）建立零极点增益模型，经过ss（A,B,C,D）建立连续系统状态空间模型；
2.MATLAB经过ss2tf（）,ss2zp（）,tf2ss（）,tf2zp（）,zp2ss（）,zp2tf（）等函数将传输函数模型、零极点增益模型、状态空间模型等模型相互转换；
3.经过函数rlocus（sys）可绘制系统sys根轨迹图，经过pzmap（sys）可绘制系统sys零极点图，经过[k,poles]=rlocfind（Ms）在根轨迹图上任选一点可计算出该点增益k及全部极点位置。
试验六控制系统PID校正器设计法
一、试验时间及地点：
试验
升级会员 