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得建立一、实验目得1、掌握MATLAB/Simulink仿真得基本知识;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,用示波器观察模型得阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB得工作空间中,在命令

2、窗口绘制该模型得阶跃响应曲线。3、某控制系统得传递函数为,其中。用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型得阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB得工作空间中,在命令窗口绘制该模型得阶跃响应曲线。4、一闭环系统结构如图所示,其中系统前向通道得传递函数为,而且前向通道有一个-0、2,0、5得限幅环节,图中用N表示,反馈通道得增益为1、5,系统为负反馈,阶跃输入经1、5倍得增益作用到系统。用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型得阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB得工作空间中,在命令窗口绘制该模型得阶跃响应曲线。四、实验报告要求实验报告撰写应包括实

3、验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。题1、（1）利用Simulink得Library窗口中得【File】【New】,打开一个新得模型窗口。（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)与相加器(Sum)4个标准功能模块选中,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)得另一个端口与传递函数与示波器得线段连好,形成闭

4、环反馈。（4）双击传递函数。打开其“模块参数设置”对话框,并将其中得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,得到系统得阶跃响应曲线如图2 所示。 图1 图2题2:分别将Simulink Library Browser 中得以下模块依次拖到untitled窗口中,连接后便得到整个控制系统得模型,如图3所示。 图3对模型进行仿真,运行后双击示波器,得到系统得阶跃响应曲线如图4所示。 图4 题3:(1)在MATLAB中得Simulink Library Browser

5、窗口下找到符合要求得模块,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在控制系统建模中得应用一、实验目得1、掌握MATLAB/Simulink在控制系统建模中得应用;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。求解这个系统得传递函数模型,零极点增益模型以及状态空间模型(假设,)。2、已知某双环调速得电流环系统得结构图如图所示。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

6、路基本定理,列出该电路得微分方程,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_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

7、应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。实验3 MATLAB/Simulink在时域分析法中得应用一、实验目得1、掌握时域分析中MATLAB/Simulink函数得应用;2、掌握MATLAB/Simulink在稳定性分析中得应用。二、实验设备电脑一台;MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、某随动系统得结构如图所示。利用MATLAB完成如下工作:(1)对给定得随动系统建立数学模型;(2)分析系统得稳定性,并且绘制阶跃响应曲线;(3)计算系统得稳态误差;(4)大致分析系统得总体性能,并给出理论上得解释。2、已知

8、某二阶系统得传递函数为,(1)将自然频率固定为, ,分析变化时系统得单位阶跃响应;(2)将阻尼比固定为,分析自然频率变化时系统得阶跃响应(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、实验结果及分析与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。题1:步骤1 求取系统得传递函数。首先需要对系统框图进行化简。不难瞧出,题中给出得系统包含两级反馈:外环就是单位负反馈;内环则就是二阶系统与微分环节构成得负反馈。可以利用MATLAB中得 feedback函数计算出系统得传递函数,代码如下。cic;clear aii;num1=20;d

9、en1=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这样就得到了系统得总传递函数,即G(s)= 20 S2+4s+20步骤2 进行稳态分析。 根据求得得传递函数,对系统进行稳态性分析,代码如下:den=1 4 20;roots(den)pzmap(sys_outer);grid on;程序运行结果如下:an

10、s =-2、0000 + 4、0000i -2、0000 - 4、0000i系统得零极点分布图如图1所示图1系统得零极点分布图步骤3 求取阶跃响应计算系统得阶跃响应: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利用Simulink对系统建模可以从scope中得到系统得不同响应曲线,如下图4,这与编程得结果完全相同得。图4系统

11、阶跃响应曲线步骤4 分析系统得响应特性。在上面得语句y、t、x=steo(num,den)执行之后,变量y中就存放了系统阶跃响应得具体数值。从响应曲线中不难瞧出,系统得稳态值为1。可以利用如下代码计算系统得超调量。y_stable=1;max_response=max(y);sigma=(max_respomse-y_stable)/y_stable程序运行结果为sigma = 0、2077同时可瞧出,系统得稳态误差为0。示波器error得波形显示如图5所示,可见,当阶跃输入作用系统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得上升时间、峰值时间及调整时间。如上所述,y中储存

12、了系统阶跃响应得数据;同时,x中方存放了其中每个数据对应得时间,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、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

13、控制系统得数学模型,并且同时显示Wn=1,阻尼系数取不同值时系统得阶跃响应曲线,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);grid;gtext(zuni=0);gtext(zuni=0、1);gtext(zuni=0、2);gtext(z

14、uni=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,阻尼比变化时系统得阶跃响应曲线 利用MATLAB在一幅图像得上绘制阻尼系数=0、55,Wn从0、1变化到1时系统得阶跃响应曲线,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 num=omega2(k); den=1 2 * zuni*omega(k) omega2(k); sys=tf(

15、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得阶跃响应曲线实验4 MATLAB/Simulink在根轨迹分析法中应用一、实验目得1、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹函数;2、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹得方法。二、实验设备电脑一台;MATLAB仿真软件一个三、

16、实验内容1、已知单位负反馈控制系统得开环传递函数。(1)画出这个系统得根轨迹;(2)确定使闭环系统稳定得增益值;(3)分析系统得阶跃响应性能;(4)利用rltool对系统得性能进行分析。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:实验代码3:k,poles=rlocfind(sys)输出结果:k,poles=rlocfind(sys)使用rl

17、tool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、实验结果及分析与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。实验5 MATLAB/Simulink在频域分析法中得应用一、实验目得1、掌握MATLAB绘制伯德图与乃奎斯特曲线;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

18、与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。步骤1在SIMULINK中建立该系统得动态模型,如下图,并将模型存为“Samples_7_9、mal”。步骤2求取系统得线性状态空间模型,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:从图中可以瞧出:幅值裕度GM=26、4dB,穿越频率为152rad/sec;相位裕度PM=54deg,穿越频率为25、5rad/sec。实验6 MATLAB_Simulink在控制系统校正中得

19、应用一、实验目得1、掌握建立控制系统得数学模型及设计系统得串联校正装置; 2、了解校正前后系统性能得比较。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得开环传递函数,设计一个串联得校正装置,使校正后得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得系数K。系统得静态速度误差系数计算公式为LimsG(s)lim= K*S =lim K = K s(s+1)(s+2) (s+1)(s+2) 2根据题目要求 ,校正后得系统静态误差系数最小为10s*-1,因此可求得K20,故可求得系统得开环传递函数为G(s)= 20 S(s+1)(s+2)

20、。步骤2:建立控制系统得数学模型代码如下: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:分析系统得动态特性代码如下:Gm, Pm, Wcg, Wcp = margin(sys_open)margin(sys_open);运行结果为:Gm =0、3000Pm =-28、0814Wcg = 1、4142Wcp =2、4253系统响应曲线如图1图1步骤4:设计系统得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

21、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不难瞧出此时闭环系统得增益裕量为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 = 1 0、5; den_chaoqian = 1 5;sys_chaoqian = tf(num_chaoqian,den_chaoqi

22、an);sys_new = sys_new * sys_chaoqian;margin(sys_new);对比校正前后系统得频率响应如图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,校正后得开环传递函数为 20 s2 + 12s+1-s5+ 8、01 s4+ 17、08 s3 + 10、17 s2+0、1s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、实验结果及分析与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调

23、试过程中得心得体会。实验7 MATLAB/Simulink在非线性系统中得应用一、实验目得1、掌握非线性系统阶跃响应得分析。二、实验设备电脑一台;MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、给定如图所示得单位负反馈系统。在系统中分别引入不同得非线性环节(饱与、死区与磁滞),观察系统得阶跃响应,并且分析、比较不同得非线性环节对系统性能得影响。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、实验结果及分析与实验体会。五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中得心得体会。步骤1 利用MATLAB中得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得系

24、统,其阶跃响应曲线如下图2。 图1 图2 步骤2 在系统中加入饱与非线性环节,系统框图3所示,其中,饱与非线性环节得输出上限为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,得到得阶跃响应曲线如图4图4为了比较饱与非线性环节得输出上下限变化时系统阶跃响应得不同,可以利用simulink中得To Workspace模块,将多次仿真得结果记录到工作空间得不同数组中,并且绘制在同以一幅图像上,此时,系统框图如图5。 图5设定饱与非线性环节输出上限为0、05,输出下限为-0、05,将仿真得结果记录到工作空间中得变量out1中;输出上限为0、1输出下限为-0、1时,仿真

25、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种情况下系统得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、5);运行程序,结果如下图6: 图6从图6中可以瞧出,当饱与非线性环节得输出范围较窄时,系统得阶跃响应速度较慢,上升时间长;同时,超调

26、量较小,振荡不明显;随着输出范围得扩大,系统得响应速度加快,上升时间大大减少,同时伴有显著得振荡。这就是因为饱与环节会对信号起到限幅作用。不难想象,限制作用越强,系统得输出越不容易超调,响应也会越慢,这从图6中夜可以瞧出这一趋势。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,得到得阶跃响应曲线如图7所示。同样,为了对比范围不同时系统得阶跃响应,采用Simulink 中得To Workspace模块,将仿真得结果保存在工作空间得数组里。绘制阶跃响应曲线得代码如下:plot(tout1,out1);

27、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图中曲线上标注得0、2、0、5、1、0、2、0表示死区范围,不难瞧出,随着死区范围得增加,系统开始响应阶跃输入信号得时刻也逐渐推迟。这就是因为死区环节会将死区内得输入“忽略”,使得系统得响应变慢。步骤4 尝试在系统中同时加入死区单元与饱与单元,系统框图如图9所示。 图9利用simulinh进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图10所示: 图10 步骤5

28、在系统中引入滞环非线性环节。结果如下: 实验8 MATLAB/Simulink在离散控制系统中得应用一、实验目得1、掌握 2、了解采样周期对离散系统稳定性得影响。二、实验设备电脑一台;MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、建立题目中要求得数学模型,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,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 + 1Sampling time: 12、绘制系统得根轨迹。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得开环增益为K=0;也就就是说,使闭环系统稳定得K得范围就是0K2。为了验证这一结论,可以绘制系统幅频特性曲线与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_discr