自动控制原理matlab仿真实验实验严进宁.docx
《自动控制原理matlab仿真实验实验严进宁.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理matlab仿真实验实验严进宁.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自动控制原理matlab仿真实验实验严进宁
实验一系统的数学模型
一、实验目的和任务
1、 学会使用MATLAB的命令；
2、 掌握MATLAB有关传递函数求取及其零、极点计算的函数。
3、 掌握用MATLAB 求取系统的数学模型
二、实验仪器、设备及材料
1、 计算机 2、 MATLAB软件
三、实验原理
1、 MATLAB软件的使用
2、 使用MATLAB软件在计算机上求取系统的传递函数
四、实验报告要求
1、将各实验内容的要求写入实验报告。
2、写出要求的实验程序。
3、记录各命令运行后的结果
五、实验内容
例1-3、设置传递函数
，时间延迟常数
方式1：
set（G,'ioDelay',4）%为系统的ioDelay属性设定值
G%显示传递函数
解：
该传递函数模型可以通过下面的语句输入到MATLAB工作空间为：
>>num=6*[1,5];
den=conv（[1,3,1],[1,3,1]）;
G=tf（num,den）;
set（G,'ioDelay',4）
G
运行结果为：
Transferfunction:
6s+30
exp（-4*s）*------------------------------
s^4+6s^3+11s^2+6s+1
例1-4、已知传递函数
，提取系统的分子和分母多项式（实验）
解：
提取系统的分子和分母多项式程序为：
>>num=6*[1,5];
den=conv（[1,3,1],[1,3,1]）;
G=tf（num,den）
[numden]=tfdata（G,'v'）
运行结果为：
Transferfunction:
6s+30
------------------------------
s^4+6s^3+11s^2+6s+1
num=
000630
den=
161161
例1-5例1-5 某系统的零极点模型为：
方法2：
利用算子（实验）
>>s=zpk（'s'）
G=6*（s+5）^2/（（s+1）*（s+2）*（s+2+2）*（s+2-2））
运行结果为：
Zero/pole/gain:
6（s+5）^2
-------------------
s（s+1）（s+2）（s+4）
例1-7已知系统传递函数
，求零极点及增益，并绘制系统零极点分布图。
（实验）
（1）零极点及增益：
〉〉num=[1,4,11];
den=conv（[1,6,3],[1,2,0]）;
G=tf（num,den）
[z,p,k]=zpkdata（G,'V'）
运行结果为：
Transferfunction:
s^2+4s+11
--------------------------
s^4+8s^3+15s^2+6s
z=
+
-
p=
0
k=
1
（2）系统零极点分布图：
〉〉num=[1,4,11];
den=conv（[1,6,3],[1,2,0]）;
G=tf（num,den）
pzmap（G）
Transferfunction:
s^2+4s+11
--------------------------
s^4+8s^3+15s^2+6s
例1-11 给定零极点模型：
用MATLAB命令得出其等效的零极点传递函数模型。
输入程序的过程中要注意大小写。
〉〉den1=conv（[132j],[13-2j]）;
den2=conv（den1,[1]）;
G=tf（conv（[12],[17]）,conv（[10],den2））
运行结果为：
G=
s^2+9s+14
-----------------------------------------------
s^6+s^5+18s^4+s^3+4s^2+6s
实验内容：
1、特征多项式的建立与特征根的求取在命令窗口依次运行下面命令，并记录各命令运行后结果
>>p=[1,3,0,4]
p=
1304
>>r=roots（p）
r=
+
-
>>p=poly（r）
p=
2、求单位反馈系统的传递函数：
输入运行命令：
>>numg=[1];deng=[500,0,0];
numc=[1,1];denc=[1,2];
[num1,den1]=series（numg,deng,numc,denc）;
[num,den]=cloop（num,den,-1）;
printsys（num,den）
运行结果：
num/den=
s+1
----------------------------
500s^3+1000s^2+4s+4
3、传递函数零、极点的求取
在命令窗口依次运行下面命令，并记录各命令运行后结果：
>>num1=[6,0,1];
den1=[1,3,3,1];
z=roots（num1）
z=
0+
0-
>>p=roots（den1）
p=
+
-
>>n1=[1,1];n2=[1,2];d1=[1,2*i];d2=[1,-2*i];d3=[1,3];
num2=conv（n1,n2）
num2=
132
>>den2=conv（d1,conv（d2,d3））
den2=
13412
>>printsys（num2,den2）
num/den=
s^2+3s+2
----------------------
s^3+3s^2+4s+12
>>num=conv（num1,den2）;
den=conv（den1,num2）;
printsys（num,den）
num/den=
6s^5+18s^4+25s^3+75s^2+4s+12
-------------------------------------------
s^5+6s^4+14s^3+16s^2+9s+2
>>pzmap（num,den）,title（'零极点图'）
4、求反馈联接系统的传递函数：
在命令窗口依次运行下面命令，并记录各命令运行后结果：
>>numg=[1];deng=[500,0,0];numc=[1,1];denc=[1,2];
numh=[1,1];denh=[1,2];
[num,den]=feedback（numg,deng,numh,denh）
运行结果：
num=
0012
den=
500100011
>>printsys（num,den）
num/den=
s+2
---------------------------
500s^3+1000s^2+s+1
5、自行利用MATLAB命令求取以下系统传递函数，并记录下结果。
>>G1=tf（2,[110]）;
G2=tf（[12],[13]）;
Gp=feedback（G1,G2,1）;
G3=tf（10,[11]）;
Gs=series（G3,Gp）;
H=tf（[50],[168]）;
Gc=feedback（Gs,H,-1）
Transferfunction:
20s^3+180s^2+520s+480
-----------------------------------------------------
s^6+11s^5+43s^4+67s^3+118s^2+252s-32
实验二、典型环节的MATLAB仿真
一、实验目的：
1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响
二、 实验内容：
按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。
（1）比例环节G1（s）=1和G1（s）=2；
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
（2）惯性环节G1（s）=1/s+1和G2（s）=1/+1
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
（3）积分环节G1（s）=1/s
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
（4）微分环节G1（s）=s
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
（5）比例+微分环节（PD）
1）、G1（s）=s+2
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
2）、G2（s）=s+1
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
（6）比例+积分环节
1）、G1
（1）=1+1/s
Simulink图形实现：
和
示波器显示结果：
1）G2（s）=1+1/2s
Simulink图形实现：
示波器显示结果：
实验三、控制系统的时域分析
一、实验目的
学习利用MATLAB进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性。
二、实验内容
（一）稳定性
1．系统传函为
，试判断其稳定性
>>roots（[1,4,25]）
运行结果：
ans=
+
-
特征方程的根都具有负实部，因而该系统为稳定的。
2.用Matlab判断
的稳定性
>>roots（[1,7,3,5,2]）
运行结果：
ans=
+
+
-
+
特征方程的根不是全部都具有负实根，因而该系统是不稳定的。
（二）阶跃响应
1.二阶系统
1）键入程序，观察并记录单位阶跃响应曲线如图14所示。
>>G=tf（[0,0,10],[1,2,10]）;
t=0:
:
5;
c=step（G,t）;
plot（t,c）
Css=dcgain（G）
Css=
1
图14MATLAB绘制的响应曲线
2）计算系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率，并记录
>>num=[10];
den=[1,2,10];
G=tf（num,den）;
roots（den）
wn=sqrt（num）
znb=2/（2*wn）
ans=
+
-
wn=
znb=
3）记录实际测取的峰值大小、峰值时间及过渡过程时间，并填表：
相关理论知识可填下表：
=
>>num=[10];
den=[1,2,10];
G=tf（num,den）;
step（num,den）;
grid
[y,t]=step（G）;
[Y,k]=max（y）;
cmax=Y
tp=t（k）;
i=length（t）;
C=dcgain（G）;
while（y（i）>*C）&（y（i）<*C）
i=i-1;
end
time2=t（i）
while（y（i）>*C）&（y（i）<*C）
i=i-1;
end
time5=t（i）
cmax=
time2=
time5=
实际值
理论值
峰值Cmax
峰值时间tp
过渡时间
ts
4）修改参数，分别实现
和
的响应曲线，并记录
>>wn=sqrt（10）;
znb=1;
num=[wn^2];
den=[1,2*znb*wn,wn^2]
G=tf（num,den）;
step（G）
holdon
znb=2;
den=[1,2*znb*wn,wn^2]
G=tf（num,den）;
step（G）
grid
title
den=
den=
（三）系统动态特性分析
用Matlab求二阶系统
和
的峰值时间
上升时间
调整时间
超调量
。
1.二阶系统
>>G=tf（[120],[1,12,120]）;
[y,t]=step（G）;
[Y,K]=max（y）;
tp=t（K）
c=dcgain（G）;
n=1;
whiley（n）n=n+1;
end
tr=t（n）
i=length（t）;
while（y（i）>*c）&（y（i）<*c）
i=i-1;
end
ts=t（i）
ct1=（Y-c）/c*100%
结果：
tp=
tr=
ts=
ct1=
2.二阶系统
>>G=tf（[],[1]）;
[y,t]=step（G）;
[Y,k]=max（y）;
tp=t（k）
C=dcgain（G）;
n=1;
whiley（n）n=n+1;
end
tr=t（n）
i=length（t）;
while（y（i）>*C）&（y（i）<*C）
i=i-1;
end
ts=t（i）
ct1=（Y-c）/c*100
显示结果：
tp=
tr=
ts=
+003
ct1=
实验四、控制系统的根轨迹分析
一、实验目的
1．利用计算机完成控制系统的根轨迹作图
2．了解控制系统根轨迹图的一般规律
3．利用根轨迹图进行系统分析
二、实验内容
1-1.
>>G=tf（1,[conv（[1,2,2],[1,6,13]）,0]）;
rlocus（G）;
grid
title（'RootLocusPlotofG（s）=K/[s（s+2s+2）（s^2+6s+13）]'）
[K,P]=rlocfind（G）
Selectapointinthegraphicswindow
结果显示：
selected_point=+
K=
P=
+
-
+
-
所以K的取值范围是：
01-2.
>>s=tf（'s'）;
G=（s+12）/（（s+1）*（s^2+12*s+100）*（s+10））;
rlocus（G）
grid
title（'G（s）=K（s+12）/[（s+10）（s^2+12*s+100）（s+10）]的根轨迹曲线'）
[K,P]=rlocfind（G）
Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
+
K=
+003
P=
+
+
-
所以K值的取值范围是：
01-3.
>>s=tf（'s'）;
G=+1）/（s**s+1）**s^2+*s+1））;
rlocus（G）
grid
title（'G（s）=K+1）/[s+1）^2++1）]的根轨迹曲线'）
[K,P]=rlocfind（G）
Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
+
K=
P=
+
-
+
-
所以K值的取值范围是：
0>>s=tf（'s'）;
G=（s^2+2*s+4）/（s*（s+4）*（s+6）*（s^2+4*s+1））;
G1=feedback（G,1）;
rlocus（G1）;
grid
title（'RootLocusPlotofG（s）=K（s^2+2*s+4）/（s*（s+4）*（s+6）*（s^2+4s+1））'）
[K,P]=rlocfind（G1）
Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
+
K=
P=
+
-
+
-
实验六、控制系统的频率分析
一、实验目的
1.利用计算机作出开环系统的波特图
2.观察记录控制系统的开环频率特性
3.控制系统的开环频率特性分析
二、实验内容
1．用Matlab作Bode图.要求:
画出对应Bode图,并加标题.
（1）
>>num=[25];
den=[1,4,25];
bode（num,den）
grid
title（'BodeDiagramofG（s）=25/（s^2+4*s+25）'）
显示伯德图如下所示：
（2）
>>num=9*[1,,1];
den=conv（[1,0],[1,,9]）;
bode（num,den）
grid
title（'BodeDiagramofG（s）=9*（s^2+*s+1）/（s*（s^2+*s+9）'）
显示伯德图如下所示：
2.某开环传函为：
，试绘制系统的Nyquist曲线，并判断闭环系统稳定性，最后求出闭环系统的单位脉冲响应。
（1）系统的Nyquist曲线
>>num=[50];
den=conv（[1,5],[1,-2]）;
nyquist（num,den）
grid
title（'NyquistPlotofG（s）=50/[（s+5）*s-2]'）
显示奈氏图如下所示：
2）判断闭环系统稳定性及单位脉冲响应
>>num=[50];
den=conv（[15],[1-2]）;
G=tf（num,den）;
G1=feedback（G,1）;
figure;
nyquist（num,den）
%v=[-2,2,-2,2];
%axis（v）
grid
title（'′NyquistPlotofG（s）=50/（s+5）*（s-2）'）
figure;
impulse（G1）
显示结果：
3.已知系统结构图如图所示：
其中：
（1）
（2）
要求：
（a）作波特图，并将曲线保持进行比较
>>Gc1=tf（[1],[1]）;
Gc2=tf（[1],[110]）;
G=tf（[1],[110]）;
G11=series（Gc1,G）;
G22=series（Gc2,G）;
sys1=feedback（G11,1,-1）;
sys2=feedback（G22,1,-1）;
bode（sys1,sys2）;
gridon;
title（'波特图'）
（b）分别计算两个系统的稳定裕度值，然后作性能比较
（1）
>>G1=tf（[1],[1]）;
G3=tf（[1],[110]）;
Ga=series（G1,G3）;
sys1=feedback（Ga,1,-1）;
bode（sys1）;
margin（sys1）;
[Gm,Pm,Wcq,Wcp]=margin（sys1）
grid
title（'lige'）
Gm=
Inf
Pm=
90
Wcq=
Inf
Wcp=
（2）
>>num=[1];
den=conv（[10],[11]）;
G2=tf（num,den）;
G3=tf（[1],[110]）;
Gb=series（G2,G3）;
sys2=feedback（Gb,1,-1）;
bode（sys2）;
margin（sys2）;
[Gm,Pm,Wcq,Wcp]=margin（sys2）
grid
title（'lige'）
gridon
Warning:
Theclosed-loopsystemisunstable.
In（line25）
InDynamicSystem/margin（line65）
Gm=
Inf
Pm=
Wcq=
NaN
Wcp=
（b）输入命令：
>>num=[1];
den=conv（[1,0],[1,1]）;
G1=tf（num,den）;
G2=tf（1,1）;
G3=series（G1,G2）;
G=feedback（G3,1）;
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin（G）
显示结果:
Gm=Inf
Pm=90
Wcg=Inf
Wcp=
实验七、数字PID控制
一、实验目的
1．了解PID控制器中P、I、D三种基本控制作用对控制系统性能的影响。
2．进行PID控制器参数工程整定技能训练。
二、实验内容
（a）
（b）
（c）
升级会员 