MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告.docx

1、MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告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的建立一、实验目的1、掌握MATLAB/Simulink仿真的基本知识；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，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将

2、阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。3、某控制系统的传递函数为，其中。用Simulink建立该控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中，在命令窗题1、（1）利用Simulink的Library窗口中的【File】【New】，打开一个新的模型窗口。（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（Transfern Fcn）和相加器（Sum）4个标准功能模块选中

3、，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）的另一个端口与传递函数和示波器的线段连好，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，并将其中的numerator设置为“10”，denominator设置为“1 3 0”，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，得到系统的阶跃响应曲线如图2 所示。 图1 图2题2：分别将Simulink Library Browser 中的以下模块依次拖到untitled窗口中，连接后便得到整个控制系统的模型，如图3所示。 图3对模型进行仿真，运行后双击示波器，

4、得到系统的阶跃响应曲线如图4所示。 图4 题3：（1）在MATLAB中的Simulink Library Browser 窗口下找到符合要求的模块，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2 MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用一、实验目的1、掌握MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用；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。求解这个系统的传递函数模型，零极点增益模型以及状态空间模型（假设，）。2、已知某双环调

5、速的电流环系统的结构图如图所示。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，列出该电路的微分方程，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。clear all;num=0,1;den=1 2 2;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

6、_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、实验结果及分析和实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。实验3 MATLAB/Simulink在时域分析法中的应用一、实验目的1、掌握时域分析中MATLAB/Simulink函数的应用；2、掌握MATLAB/Simulink在稳定性分析中的应用。二、实验设备电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、某随动系统的结构如图所示。利用MATLAB完成如下工作：（1）对给定的随动系统建立数学模型；（2）分

7、析系统的稳定性，并且绘制阶跃响应曲线；（3）计算系统的稳态误差；（4）大致分析系统的总体性能，并给出理论上的解释。2、已知某二阶系统的传递函数为，（1）将自然频率固定为，分析变化时系统的单位阶跃响应；（2）将阻尼比固定为，分析自然频率变化时系统的阶跃响应（变化范围为0.11）。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、实验结果及分析和实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。题1：步骤1 求取系统的传递函数。首先需要对系统框图进行化简。不难看出，题中给出的系统包含两级反馈：外环是单位负反馈；内环则是二阶系统与微分环节构成的负反馈。可以利用M

8、ATLAB中的 feedback函数计算出系统的传递函数，代码如下。cic;clear aii;num1=20;den1=1 2 0;sys1=tf(num1,den1);num2=0.1 0;den2=0 1;sys2=tf(num1,den2);sys_inner=feedback(sys1,sys2);sys_outer=feedback(sys_inner,1)程序运行结果为:Transfer function: 20-s2 + 4 s + 20这样就得到了系统的总传递函数，即G（s）= 20 S2+4s+20步骤2 进行稳态分析。 根据求得的传递函数，对系统进行稳态性分析，代码如下：

9、den=1 4 20;roots(den)pzmap(sys_outer);grid on;程序运行结果如下：ans =-2.0000 + 4.0000i -2.0000 - 4.0000i系统的零极点分布图如图1所示图1系统的零极点分布图步骤3 求取阶跃响应计算系统的阶跃响应：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=1 4 20;y.t.x=steo(num,den)plot(x,y);grid on;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

10、用Simulink对系统建模可以从scope中得到系统的不同响应曲线，如下图4，这与编程的结果完全相同的。图4系统阶跃响应曲线步骤4 分析系统的响应特性。在上面的语句y.t.x=steo(num,den)执行之后，变量y中就存放了系统阶跃响应的具体数值。从响应曲线中不难看出，系统的稳态值为1。可以利用如下代码计算系统的超调量。y_stable=1;max_response=max(y);sigma=(max_respomse-y_stable)/y_stable程序运行结果为sigma = 0.2077同时可看出，系统的稳态误差为0。示波器error的波形显示如图5所示，可见，当阶跃输入作用系

11、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的上升时间、峰值时间及调整时间。如上所述，y中储存了系统阶跃响应的数据；同时，x中方存放了其中每个数据对应的时间，编写代码如下。for i =1:length(y) If y(i)y_stable break; endendtr=x(i)max_response,index=max(y);tp=x(index)for i =1:length(y) If max(y(i:length(y)0.98*y_stable break end endendts=x(i)程序运次结果为tr = 0.5298tp = 0.7947ts = 1.

12、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建立控制系统的数学模型，并且同时显示Wn=1,阻尼系数取不同值时系统的阶跃响应曲线，代码如下clc;clear;t=linspace(0,20,200);omega=1;omega2=omega2;zuni=0,0.1,0.2,0.5,1,2,3,5;num=omega2;for k=1:8 den=1 2 * zuni(k)*omega omega2; sys=tf(num,den); y(:,k)=step(sys,t);endfigure(1);plot(t,y（：，1:8）；g

13、rid;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，阻尼比变化时系统的阶跃响应曲线 利用MATLAB在一幅图像的上绘制阻尼系数=0.55，Wn从0.1变化到1时系统的阶跃响应曲线，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=omega2;for k=1:5

14、num=omega2(k); den=1 2 * zuni*omega(k) omega2(k); sys=tf(num,den); y(:,k)=step(sys,t);endfigure(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的阶跃响应曲线实验4 MATLAB/Simulink在根轨迹分析法中应用一、实验目的1、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨

15、迹函数；2、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹的方法。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的开环传递函数。（1）画出这个系统的根轨迹；（2）确定使闭环系统稳定的增益值；（3）分析系统的阶跃响应性能；（4）利用rltool对系统的性能进行分析。实验代码1：clc;clear;num=1 1;den=conv(1 0,conv(1 -1,1 4);sys=tf(num,den)输出结果：Transfer function: s + 1-s3 + 3 s2 - 4 s实验代码2：rlocus(sys);grid on;title()输出结果：

16、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、实验结果及分析和实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。实验5 MATLAB/Simulink在频域分析法中的应用一、实验目的1、掌握MATLAB绘制伯德图和乃奎斯特曲线；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

17、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、实验结果及分析和实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。 步骤1在SIMULINK中建立该系统的动态模型，如下图，并将模型存为“Samples_7_9.mal”。步骤2求取系统的线性状态空间模型，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:从图中可以看出：幅值裕度GM=26.4dB，穿越频率为152rad/sec;

18、相位裕度PM=54deg,穿越频率为25.5rad/sec。实验6 MATLAB_Simulink在控制系统校正中的应用一、实验目的1、掌握建立控制系统的数学模型及设计系统的串联校正装置； 2、了解校正前后系统性能的比较。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的开环传递函数，设计一个串联的校正装置，使校正后的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的系数K。系统的静态速度误差系数计算公式为LimsG(s)lim= K*S =lim K = K S0 s0 s(s+1)(s+2) s0 (s+1)(s+2) 2根据题目要求

19、，校正后的系统静态误差系数最小为10s*-1,因此可求得K20,故可求得系统的开环传递函数为G(s)= 20 S（s+1）（s+2） 。步骤2：建立控制系统的数学模型代码如下：clc;clear;num_open = 0 20;den_open = conv(conv(1 0,1 1),1 2);sys_open = tf(num_open,den_open) 步骤3：分析系统的动态特性代码如下：Gm, Pm, Wcg, Wcp = margin(sys_open)margin(sys_open);运行结果为：Gm =0.3000Pm =-28.0814Wcg = 1.4142Wcp =2.4

20、253系统响应曲线如图1图1步骤4：设计系统的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 = 1 0.1;den_zhihou = 1 0.01;sys_zhihou = tf(num_zhihou, den_zhihou);sys_new = sys_open * sys_zhihoumargin(sys_new);再设计超前校正，系统响应曲线如图3图3不难看出此时闭环系统的增益裕量为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 =

21、 1 0.5; den_chaoqian = 1 5;sys_chaoqian = tf(num_chaoqian,den_chaoqian);sys_new = sys_new * sys_chaoqian;margin(sys_new);对比校正前后系统的频率响应如图4图4代码如下：figure(1);bode(sys_open);hold on;bode(sys_new);gtext(); gtext(); gtext(); gtext();grid on综上所述，校正后的开环传递函数为 20 s2 + 12s+1-s5+ 8.01 s4+ 17.08 s3 + 10.17 s2+0.1

22、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、实验结果及分析和实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。实验7 MATLAB/Simulink在非线性系统中的应用一、实验目的1、掌握非线性系统阶跃响应的分析。二、实验设备电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、给定如图所示的单位负反馈系统。在系统中分别引入不同的非线性环节（饱和、死区和磁滞），观察系统的阶跃响应，并且分析、比较不同的非线性环节对系统性能的影响。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、实验结果及分析和实验体会。五、实验思考题总结仿真模型

23、构建及调试过程中的心得体会。步骤1 利用MATLAB中的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的系统，其阶跃响应曲线如下图2。 图1 图2 步骤2 在系统中加入饱和非线性环节，系统框图3所示，其中，饱和非线性环节的输出上限为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，得到的阶跃响应曲线如图4图4为了比较饱和非线性环节的输出上下限变化时系统阶跃响应的不同，可以利用simulink中的To Workspace模块，将多次仿真的结果记录到工作空间的不同数组中，并且绘制在同以一幅图像上，此时，系统框图如图5。 图5设定饱和非线

24、性环节输出上限为0.05,输出下限为-0.05,将仿真的结果记录到工作空间中的变量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种情况下系统的阶跃响应曲线绘制在同一幅图像中，代码如下。plot(tout1,out1);hold on;grid on;gtext(0.05);plot(tout2,out2);gtext(0.1);plot(tout3,out3);gtext(0.2);plot(tout4,out4);gtext(0

25、.5);运行程序，结果如下图6： 图6从图6中可以看出，当饱和非线性环节的输出范围较窄时，系统的阶跃响应速度较慢，上升时间长；同时，超调量较小，振荡不明显；随着输出范围的扩大，系统的响应速度加快，上升时间大大减少，同时伴有显著的振荡。这是因为饱和环节会对信号起到限幅作用。不难想象，限制作用越强，系统的输出越不容易超调，响应也会越慢，这从图6中夜可以看出这一趋势。 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，得到的阶跃响应曲线如图7所示。同样，为了对比范围不同时系统的阶跃响应，采用Simulin

26、k 中的To Workspace模块，将仿真的结果保存在工作空间的数组里。绘制阶跃响应曲线的代码如下：plot(tout1,out1);hold on;grid on;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图中曲线上标注的0.2、0.5、1.0、2.0表示死区范围，不难看出，随着死区范围的增加，系统开始响应阶跃输入信号的时刻也逐渐推迟。这是因为死区环节会将死区内的输入“忽略”，使得系统的响应变慢。步骤4 尝试在系统中

27、同时加入死区单元和饱和单元，系统框图如图9所示。 图9利用simulinh进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图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8 MATLAB/Simulink在离散控制系统中的应用一、实验目的1、掌握 2、了解采样周期对离散系统稳定性的影响。二、实验设备电脑一台；MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、建立题目中要求的数学模型，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,

28、Ts,zoh)sys_k = 1;sys_open = sys_k * sys_discrete运行结果如下Transfer function: 1.5 z - 0.5-z2 - 2 z + 1 Sampling time: 12、绘制系统的根轨迹。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的开环增益为K=0；也就是说，使闭环系统稳定的K的范围是0K2。为了验证这一结论，可以绘制系统幅频特性曲线和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_discrete,v)dnyquist(dnum, dden, Ts)grid on;系统幅频特性曲线Nyquist曲线从图中可以看出，K=2时，系统处于临界稳定状态，Nyquist曲线恰好穿过（-1，0）点。可以确，系统稳定时，K的取值范围是（0，2）。3、分析系统的阶跃响应。给K 赋予不同的值，代码如下。sys_k = 1;figu