青岛理工大学控制系统仿真实验报告.docx
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青岛理工大学控制系统仿真实验报告
青岛理工大学自动化工程学院
实验报告
课程：
控制系统仿真
专业自动化班级121
姓名小星星学号201228122
指导教师：
赵宏才
时间：
2015年10月19日—10月28日
实验一MATLAB环境的熟悉与基本运算…………………………………………………1
实验二MATLAB语言的程序设计…………………………………………………………6
实验三MATLAB的图形绘制………………………………………………………………9
实验四采用SIMULINK的系统仿真……………………………………………………14
实验五控制系统的频域与时域分析………………………………………………………17
实验六控制系统PID校正器设计法………………………………………………………23
实验一MATLAB环境的熟悉与基本运算
一、实验时间及地点：
实验时间：
2015.10.19上午8:
30—9:
30
实验地点：
黄岛老校区计算中心
二、实验目的：
1．熟悉MATLAB开发环境
2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算
三、实验内容：
1、新建一个文件夹（自己的名字命名，在机器的最后一个盘符）
2、启动MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。
3、保存，关闭对话框
4、学习使用help命令，例如在命令窗口输入helpeye，然后根据帮助说明，学习使用指令eye（其它不会用的指令，依照此方法类推）
5、学习使用clc、clear，观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口的变化结果。
6、初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如exerc1、exerc2、exerc3……），学习使用MATLAB的基本运算符、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的修改后，都要存盘。
练习A：
（1）helprand，然后随机生成一个2×6的数组，观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口的变化结果
（2）学习使用clc、clear，了解其功能和作用
（3）输入一个2维数值数组，体会标点符号的作用（空格和逗号的作用）。
（4）一维数组的创建和寻访，创建一个一维数组（1×8）X，查询X数组的第2个元素，查询X数组的第3个元素到第6个元素，查询X数组的第5个元素到最后一个元素，查询X数组的第3、2、1个元素，查询X数组中≤5元素，将X数组的第2个元素重新赋值为111，实例expm1。
（5）二维数组的创建和寻访，创建一个二维数组（4×8）A，查询数组A第2行、第3列的元素，查询数组A第2行的所有元素，查询数组A第6列的所有元素，查询数组A按列拉长形成新的数组B（1×8），查询数组A按行拉长形成新的数组C（1×8），以全元素赋值的方式对数组A赋值。
（6）两种运算指令形式和实质内涵的比较。
设有3个二维数组A2×4，B2×4，C2×2，写出所有由2个数组参与的合法的数组运算和矩阵指令
（7）学习使用表8列的常用函数（通过help方法）
（8）学习使用表9数组操作函数
（9）学习字符串的创建，a='Thisisanexample.'
串数组的大小size（a）
串数组的元素标识a14=a（1:
4）ra=a（end:
-1:
1）
对字符串ASCLL码的数组操作
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）创建符号对象与函数命令sym（）、syms（）与class（）的熟悉和运用。
有符号表达式：
试计算
与
四、实验操作过程（实验说明）
>>helprand%用help指令学习rand的用法
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的数组
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，冒号前后的数表示所选范围
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的元素
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的大小为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的行数和列数
c=
1
2
五、实验结果及讨论
1.熟悉了MATLAB的基本软件操作。
2.通过本次实验熟悉了MATLAB的开发环境掌握了矩阵、变量、表达式的各种运算了解了*与.*、/与\、^与.^等区别以及绝对值、开方e的阶乘、正弦、正切的运算的符号。
3.让我明白了MATLAB的实用性。
实验二MATLAB语言的程序设计
一、实验时间及地点：
实验时间：
2015.10.19上午8:
30—9:
30
实验地点：
黄岛老校区计算中心
二、实验目的：
1、熟悉MATLAB程序编辑与设计环境
2、掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法
3、函数文件的编写和设计
4、了解和熟悉跨空间变量传递和赋值
三、实验内容：
练习A
1、熟悉MATLAB程序编辑与设计环境
2、用for循环语句实现求1～100的和
3、用for循环语句实现编写一个求
阶乘的函数文件
练习B
思考题
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的函数文件。
（2）编写求解二维数组平均值的函数文件。
四、实验操作过程（实验说明）
1．用for循环语句实现求1～100的和，函数名为theSec（）.
程序：
a=0;
fori=1:
100
a=i+a;
end
fprintf（'%d\n',a）
执行结果：
>>theSec%求1～100的和
5050
2．用for循环语句实现编写一个求
阶乘的函数文件，函数名为jiex（x）.
程序：
functionjiex（x）
a=1;
fori=1:
x
a=a*i;
end
fprintf（'%d\n',a）
执行结果：
>>jiex（4）%求4的阶乘
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;
执行结果：
>>ABsum（）
ans=
178
4.编写求解任意数组平均值的函数文件，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）;
执行结果：
>>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的平均值
ans=
9
五、实验结果及讨论
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，使用格式如下：
for循环变量=表达式1（初值）：
表达式2（增量）：
表达式3（终值）
循环语句组
end
条件判断语句if语句格式为：
if表达式
执行语句
end
实验三MATLAB的图形绘制
一、实验时间及地点：
实验时间：
2015.10.21上午8:
30—9:
30
实验地点：
黄岛老校区计算中心
二、实验目的：
1、学习MATLAB图形绘制的基本方法；
2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令；
3、熟悉掌握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注；
4、掌握plot、subplot的指令格式和语法。
三、实验内容：
练习A
【1】二维曲线绘图基本指令演示。
t=（0:
pi/50:
2*pi）';
k=0.4:
0.1:
1;
Y=cos（t）*k;
plot（t,Y）
plot指令基本操作演示
【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】通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，涉及的指令较广。
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}镇定时间';
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'）
二阶阶跃响应图的标识
四、实验操作过程（实验说明）
1.二维曲线绘图基本指令演示：
>>t=（0:
pi/50:
2*pi）';
k=0.4:
0.1:
1;
Y=cos（t）*k;
plot（t,Y）
执行结果：
（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]）
执行结果：
（图3-2）
图3-2
3.通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}镇定时间';
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'）
执行结果：
（图3-3）
图3-3
五、实验结果及讨论
1，通过这次实验，我学会了MATLAB图形绘制的基本方法，掌握了MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令，而且还懂得了利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注。
2，感觉到了MATLAB的强大，而且很实用。
实验四采用SIMULINK的系统仿真
一、实验时间及地点：
实验时间：
2015.10.21上午8:
30—9:
30
实验地点：
黄岛老校区计算中心
二、实验目的：
1、熟悉SIMULINK工作环境及特点
2、掌握线性系统仿真常用基本模块的用法
3、掌握SIMULINK的建模与仿真方法
4、子系统的创建和封装设计
1、实验内容：
练习A
1、SIMULINK仿真实际应用，建立双环调速的电流环系统的方框图模型，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。
并绘制相应的响应曲线
（2）计算仿真结果的超调量、上升时间、调节时间、稳态误差。
（3）设计PID调节器替代图中的比例积分调节器，调节
，
，
用使系统满足超调量15%，上升时间0.3s，调节时间0.4s的要求。
（4）要求对加入的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、实验操作过程（实验说明）
1.画出双环调速的电流环系统的方框图模型，并在Simulink集成环境下建立模型：
（图4-1）
图4-1
2.绘制相应的响应曲线：
（图4-2）
图4-2
五、实验结果及讨论
1、SIMULINK的基本操作：
1）启动SIMULINK软件包：
可以在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，也可以选择“SIMULINK>LIBRARYBREWSER”同样可以打开该界面；
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，通过这些接口可以调整仿真运行时间，仿真模式等，可以查看仿真运行进度等信息。
3）构建SIMULINK框图：
用鼠标将模块库中的所需的模块拖至系统模型中，然后添加连线将各个模块连接起来，模型中可以包含WORKSPACE中已定义的变量；
4）运行：
点击仿真模型编译器界面中的运行按钮，系统会在输入信号的作用下输出，通过SCOPE模块可以查看输出响应曲线，通过TOWORKSPACE模块可以将输出及时间信号送至工作区。
实验五控制系统的频域与时域分析
一、实验时间及地点：
实验时间：
2015.10.28上午8:
30-9:
30
实验地点：
黄岛老校区计算中心
二、实验目的：
1、掌握控制系统数学模型的基本描述方法和相互转化
2、了解控制系统的稳定性分析方法
3、掌握控制系统频域与时域分析基本方法
三、实验内容：
练习A：
1、
表示下列传递函数模型,并转化成其他的数学模型
（1）
（2）
（3）
（4）
2、一个单位负反馈开环传递函数为
试绘出系统闭环的根轨迹图；并在跟轨迹图上任选一点，试计算该点的增益
及其所有极点的位置
四、实验操作过程（实验说明）
>>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）%绘制系统闭环的根轨迹图（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、实验结果及讨论
1.MATLAB通过函数tf（num,den）建立传递函数模型，通过zpk（z,p,k）建立零极点增益模型，通过ss（A,B,C,D）建立连续系统状态空间模型；
2.MATLAB通过ss2tf（）,ss2zp（）,tf2ss（）,tf2zp（）,zp2ss（）,zp2tf（）等函数将传递函数模型、零极点增益模型、状态空间模型等模型互相转换；
3.通过函数rlocus（s
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