控制系统仿真实验110.docx

1、控制系统仿真实验110控制系统仿真(Matlab)实验实验1：初步了解MATLAB环境及命令窗口的使用一、课堂练习1、掌握MATLAB的启动方式；熟悉MATLAB的命令窗口；熟悉常用的选单和工具栏；熟悉MATLAB桌面的其他窗口。2、熟悉MATLAB命令窗口中的选单“File”的功能。3、在命令窗口中输入以下命令并查看运行结果：a=2.5b=1 2;3 4c=ad=sin(a*b*pi/180)e=a+c4、根据3题分别输入以下命令查看运行结果。（1）使用标点符号来修改命令行；：不显示计算结果【注意与回车键比较运行结果】a=2.5; %：用做注释 b=1 2;3 4 % b为矩阵（2）通过常用

2、操作键来编辑命令：向前调回已输入过的命令行：向后调回已输入过的命令行Esc：消除当前行的全部内容（3）查看工作空间窗口：在工作空间中使用who，whos，clear命令，观察运行结果。5、熟悉MATLAB环境。（1）MATLAB命令窗口：菜单命令各项的作用；工具栏各项功能，要求熟练使用工具栏按钮；熟练使用命令编辑区中命令窗口快捷键的功能。（2）了解MATLAB的程序编辑器。（3）熟悉MATLAB的work子目录。（4）MATLAB运行外部环境：进入DOS操作系统。6、标点符号 可以使命令行不显示运算结果， 用来表示该行为注释行。二、课外练习1、MATLAB强大的绘图功能（1）采用插值方式绘制海

3、底形状图。具体程序如下：xi=linspace(-5,5,50);yi=linspace(-5,5,50)XI,YI=meshgrid(xi,yi);ZI=interp2(x,y,z,XI,YI,*cubic);Surf(XI,YI, ZI),view(-25,25)（2）绘制草帽图具体程序如下：x,y=meshgrid(-8:0.5:8);r=sqrt(x.2+y.2)+eps;z=sin(r)./r;surf(x,y,z)shading interpaxis off（3）绘制圆球球体具体程序如下：sphere(100);axis equal;shading flat;camlight ri

4、ght;camlight left;lighting phong2、MATLAB程序流程控制（1）在M文件编辑器中输入以下程序，并观察运行结果。clc %清屏幕a=1 3 4 7 9; %建立a矩阵b=2 4 6 8 10; %建立b矩阵c=a; %矩阵a与矩阵b交换，设中间变量b=c;a %输出a矩阵、b矩阵b实验2、3：MATLAB数值运算基础一、课堂练习1、熟悉MATLAB算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、特殊运算符。2、熟悉MATLAB特殊的变量和常量。3、x =3*pi 4*pi 5*pi 6*pi 7*pi 分别指明以下标识所代表的含义写出运算结果，并输入计算机加以验证：x(2)

5、 x(2:4) x(3:end) x (3：-1：1)x (2)= 5 x(find (x15)4、分别指明以下标识所代表的含义并求出下列的运算结果并上机验证：A=1 2 3 4;5 6 7 8;9 10 11 12A(2，3) A(3，:) A(:，2) A(:) A(8)5、（1）数组的输入在MATLAB命令窗口输入下列矩阵10 20 30 A = 40 50 60 70 80 90（2）已知A = 10 20 ; 30 40计算：A1=A+10 A2=A+20 A3=A+30 G= A A1;A2 A36、S=2 A=2 3 4;5 6 7;8 9 10 计算：（1）A+S A-S S-

6、A （2）S.*A A.*S S*A A*S（3）S./A A.S A./S S.A并由计算结果得出什么结论。7、a=1 2 3;4 5 6;7 8 9 b=1 1 1;2 2 2;3 3 3c=3求：（1）a.*bb.*a a*bb*a（2）a./b b.a b./a a.b （3）a.c b.c c.a c .b a.b b.a8、a=3 2 1;6 5 4; 9 8 7; b=1 1 2;2 2 1; 3 1 3; 求：ab inv(a)*b a/b a*inv(b)9、熟悉MATLAB的基本数组函数、矩阵函数。10、运行以下函数，写出操作结果(1) zeros (4 , 4) ，one

7、s (3 , 2)(2) 已知 x = magic (5)求：diag(x) 、triu(x) 、tril(x) 、size(x) 、eye(x)。11、数组函数、矩阵函数运算（1）求复数矩阵的模与相角： a=1+2i 3-4i ;5+6i 7-8i（2）求复数的实数与虚部：a=32+7i（3）求复数矩阵加法、开方、乘方、乘法运算：c=1+2i 3+4i ;5+6i 7+8i，d=1- i 2-2i;3-3i 4-4ic+d, sqrt(c), d2, c*d（4）求复数矩阵的模、共轭复数矩阵，以e为底的指数函数:a=1+2i 3-4i ;5+6i 7-8i。12、复数变量a=2+3i，b=3

8、-4i，计算a+b，a-b，c=a*b，a/b，并计算变量c的实部，虚部，模和相角。13、熟练掌握多项式输入、求根、由根求多项式、多项式部分分式展开。14、（1）计算多项式P（x）= s3+21s2+20s的根以及由多项式的根得出系数。（2）求多项式P（x）=s8+2s7+3s6+4s5+5s4+6s3+7s2+8s+9的根，并用求出的根求多项式。（3）已知传函：S+3（1）G(S)=- S4+2S3+11S2+18S+18 2S3 +5S2+3S+6 （2）G(S)=- S3+6S2+11S+6将其分解为部分分式。（4）已知表达式G(S)=(S-4)(S+5)(S2-6S+9)，展开多项式形

9、式，并计算出G(S)=0的根。15、两个多项式a(x)=5x4+4x3+3x2+2x+1，b(x)=3x2+1。计算c(x)=a(x)*b(x)，并计算c(x)的根，将b(x)/a(x)进行部分分式展开。二、课外练习1、输入矩阵A为3X3的魔方阵，B为3X3的单位阵，由小矩阵组成3X6的大矩阵C和6X3的大矩阵D，将D矩阵的最后一行构成小矩阵E。具体程序：a=magic(3);b=eye(3)c=a,b d=a;be=d(6,:)2、求解方程组 2x1-3x2+x3+2x4=8 x1+3x2+ x4=6 x1-x2+x3+8x4=7 7x1+x2-2x3+2x4=5具体程序：a=2 3 1 2

10、;1 3 0 1;1 1 1 8;7 1 2 2;b=8;6;7;5;x=ab3、已知符号表达式f=x3+3x2-6x+5，转换为多项式系数，并将f中的x用5，a替代。具体程序：f=sym(x3+3*x2-6*x+5);sym2poly(f);subs(f,a);subs(f,5)实验4：MATLAB仿真集成环境工具Simulink的界面与菜单一、课堂练习1、学会Simulink的启动方式。2、熟悉Simulink界面各个部分的内容及其功能。3、熟悉Simulink提供的11类基本模块库中最常用模块库的界面、模块英文名与图标信息。 4、重点掌握11类基本模块库中下列常用的一些标准功能模块名称、

11、在Simulink中具体位置及其功能：（1）Derivative 、 Integrator 、State-Space 、 Transport FcnZero-pole 、Transport Delay；（2）Gain 、 Sum 、Math-Function；（3）Mux 、 Demux；（4）Display 、 Out1 、 Scope 、 XY Graph；（5）Clock 、 In1 、 Pulse Generator 、 Ramp 、 Sine Wave 、 Step 、 Ground；（6）Subsystem。5、熟悉Simulink模型窗口（Untitled）菜单项的功能；熟练使用

12、模型窗口工具栏按钮并熟悉各按钮功能。二、课外练习1、创建一个由正弦输入信号、放大器、示波器构成的模型。观察正弦信号幅值，频率和放大倍数变化时，示波器的输出变化。2、创建一个由两个正弦输入信号、XY Graph模块构成的模型，观察当输入两个正弦信号相位差的变化时XY Graph模块输出波形的变化。实验5：用Simulink建立系统的模型一、课堂练习1、会使用打开“untitled”模型窗口的三种方法。2、熟悉查找所需要的模块；熟练掌握模块的拷贝、移动、删除、连接；模块名称的修改；模块内部参数的修改；模块文件的保存和打开。3、 试绘制上图直流单闭环调速系统的Simulink结构图模型，并完成以下实

13、验内容：输入信号分别换成斜坡信号、脉冲信号，点击示波器分别观察输出信号响应曲线。要求：1）所有模块名字体：四号；粗体； 2）“电势系数”：隐藏； 3）“直流单闭环调速系统”：隶书；粗体；小一； 4）画好的图剪切到Word文本中。 5）用正确的名称存盘，并通过打开的方式检查存盘名称是否正确。实验6：Simulink窗口下自定义模块库与自定义子系统一、课堂练习1、定义模块库（1）建立一个只有“Discrete”，“Function&Tables”，“Nonliner”，“signals&System”四类模块库组成的自定义模块库Library1。（2）建立一个只有“Zero-pole”，“Tran

14、sfer-Fcn”，“State-Space”，“Gain”，“Sum”，“Step”，“Scope”，“In1”，“Out1”9个基本模块构成的自定义模块库Library2。2、定义子系统用Simulink的两种方法（1.“Subsystem” 2.“Create Subsystem”） 将直流调速系统的电流环自定义为一子系统(虚线框住的定义子系统)并对其进行单位阶跃响应进行仿真，完成以下实验内容：（1）用同一个示波器在同一坐标系下同时观察单位阶跃输入、输出信号曲线。（2）用同一个示波器在两个坐标系下同时观察单位阶跃输入、输出信号曲线。（3）运用绘图命令plot(tout,yout)在MAT

15、LAB命令窗口绘制图形。 实验7：控制系统的数学模型一、课堂练习1、三种数学模型在MATLAB里的建立在MATLAB环境中输入下列系统的模型： S3+4S2+3S+2（1）G(S)=-S5+9S4+24S3+16S2 -0.3 0.1 0.05 2（2）X(t)= 1 0.1 0 x(t)+ 0 u(t), y(t)=1 2 3x(t) -1.5 -8.9 -0.05 4(S-5)(S-4)（3）G(S)=-S(S+1)(S+3) (5S2+0.96S+9.6)（4）G(S)=- S(S+1)2(S2+0.384S+2.56)9.9 e-80S（5）G(S)=-120S+12、模型间的相互转化

16、 6.8(S+3)(S+7)给定系统的零极点模型为：G(S)=- S(S+1.8+j1.63)(S+1)2用MATLAB语句转化成等效的：（1）传递函数模型（2）状态空间模型。3、环节方框图模型的化简已知晶闸管直流电机单闭环调速系统（V-M系统）的Simulink动态结构图如下图所示。求按负反馈连接闭环系统的传递函数（在MATLAB命令窗口下编写程序求出）。二、课外练习1、控制系统的结构图如下所示，试建立控制系统的仿真模型，观察系统在阶跃信号作用下的输出响应。 给控制系统加上校正装置，如下图所示。观察校正后系统在阶跃信号作用下的输出响应。2、设计一个PID控制器，实现对G(S)=10/S2+S

17、+10系统构成单位负反馈的控制，当输入阶跃和正弦信号时，观察通过PID参数变化对系统控制效果的影响。3、用Simulink仿真一个正弦信号和一个余弦信号相加，即计算x(t)=2sin(2t)+3cos(5t)。实验8：控制系统时域分析的MATLAB实现一、课堂练习 801、已知单位负反馈系统前向通道的传函为：G(S)=- S2+2S试用MATLAB命令编写程序做出其单位阶跃响应曲线。2、已知闭环系统的传递函数为： 1301(S+4.9) G(S)=- (S2+5S+25)(S+5.1)(S+50)试求系统的性能指标：tr，tp，ts，%。3、已知下列单位负反馈的开环传递函数，试对系统闭环判别其

18、稳定性。 1（1）G(S)=- S3+2S2+S+2 1（2）G(S)=- S4+S3-3S2-S+2 4、已知单闭环系统Simulink动态结构图如下所示，试用（1）指令方式（2）窗口菜单方式，分别求时域响应仿真曲线。5、二阶系统的动态性能分析 W2n 二阶系统的闭环传函的标准形式为 (S)=- , S2+2WnS+ W2n分别取=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0，Wn=6时, 试绘制出系统的单位阶跃响应曲线。6、分别用两种方法：（1）MATLAB命令窗口编写程序（2）Simulink模型窗口绘制动态结构图，对下面的具有延迟环节传递函数进行时域仿真。二、课外练习1、如下图所示系

19、统，请调节PID参数，使系统的输出状态达到最佳。2、有一阶系统的传递函数为G(S)=K/(TS+1)，试对T、K两个待定系数，分别取T=1，K=1；T=2，K=1；T=10，K=2；作出系统的阶跃响应，分析T、K对系统的稳态值和过渡过程时间（5%和2%的误差）的影响。实验9：控制系统根轨迹的MATLAB实现一、课堂练习1、已知系统的开环传函如下: 1（1）G(S)=- S(S2+2S+2)(S2+6S+13) (S-5)(S+4) （2）G(S)=- S(S+1)(S+3)要求：1）绘制系统的零极点图并求出零极点；2）绘制系统的根轨迹图。 k(S+1)2、已知某系统开环传函为： G(S)=-

20、S2+S+10（1）试绘制k：0系统的根轨迹曲线；（2）当k=1时闭环系统的单位阶跃响应曲线。 k(5S2+0.96S+9.6)3、已知系统开环传函为：G(S)=-， S(S+1)2(S2+0.384S+2.56)试绘制当k：0的闭环系统的根轨迹图，并判断使系统稳定时k的取值范围。二、课外练习1、已知单位反馈系统的开环传递函数为G(S)H(S)=k(S+1)/S2(S+a)。（1）准确记录根轨迹在a=10，9，8，3，1时的根轨迹曲线，分析a对系统稳定性的影响；（2）确定不同情况下系统稳定的取值条件。2、高性能的战斗机以0.9马赫的速度在10，000m高空飞行，其俯仰速度控制系统可用如下图表示

21、，其中G(S)=-18(S+0.015)(S+0.45)/(S2+1.2S+12)(S2+0.01S+0.0025)（1）当控制器为比例环节，即GC(S)=K时，画出K变化时的根轨迹，并确定K的取值范围，使n2的系统闭环根的阻尼比大于0.15，并找出的最大值；（2）采用上面的K值，画出系统对阶跃输入r(t)的响应y(t)；（3）有设计者建议采用控制器GC(S)=K/(S+2)，试画出这时系统以K为参数的根轨迹图，并确定K的取值范围，使所有闭环根的阻尼比均满足0.8；（4）采用上面所选取的K值，画出系统对阶跃输入r(t)的响应y(t)。3、某类高性能喷气式飞机的自动驾驶仪系统具有单位负反馈，试画

22、出系统的根轨迹图，预测系统的阶跃响应并与计算得到的实际响应相比较。实验十：控制系统频域分析的MATLAB实现1、试绘制出下面系统的Nyquist图、Bode图。 10（1）G(S) = - S2(5S-1)(S+5) 8(S+1) （2）G(S) = -S2(S+15)(S2+6S+10)2、试绘制出下面系统的Bode图，并求出系统的幅值裕度Gm、幅值穿越频率wcp、相角裕度Pm、剪切频率wcg。 4(S/3 +1)（1）G(S)=- S(0.02S+1)(0.05S+1)(0.1S+1) 0 2 1 4（2）X(t) = -3 2 0 x(t) + 3 u(t) , y(t)=1 2 3x 1 3 4 23、已知系统的开环传函为： 100(S+5)2G(S)=- (S+1)(S2-S+9)（1） 试绘制Nyquist图并由奈氏判据判断系统的稳定性；（2） 验证稳定性正确与否。