系统仿真综合实验指导书(cekong2010)

控制系统仿真实验指导

系统仿真综合实验指导书

测控技术与仪器专业

2010年1月

控制系统仿真实验指导

实验一 MATLAB基本操作（练习，可不做报告）

实验目的

1．熟悉MATLAB实验环境，练习MATLAB命令、m文件、Simulink的基本操作。 2．利用MATLAB编写程序进行矩阵运算、图形绘制、数据处理等。 3．利用Simulink建立系统的数学模型并仿真求解。

实验原理

MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。MATLAB

有3种窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m-文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。

1．命令窗口（The Command Window）

当MATLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。用户可以在提示符“>>”后面

输入交互的命令，这些命令就立即被执行。

在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为m-文件。

2．m-文件编辑窗口（The Edit Window）

我们可以用m-文件编辑窗口来产生新的m-文件，或者编辑已经存在的m-文件。在

MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的m-文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的m-文件，并且可以在这个窗口中编辑这个m-文件。

3．图形窗口（The Figure Window）

图形窗口用来显示MATLAB程序产生的图形。图形可以是2维的、3维的数据图形，

也可以是照片等。

MATLAB中矩阵运算、绘图、数据处理等内容参见教材《控制系统计算机辅助设计(第2版)》第二章。

Simulink是MATLAB的一个部件，它为MATLAB用户提供了一种有效的对反馈控制系统进行建模、仿真和分析的方式。

有两种方式启动Simulink:

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1．在Command window中，键入simulink，回车。 2．单击工具栏上Simulink图标。

启动Simulink后，即打开了Simulink库浏览器（Simulink library browser）。在该浏览器的窗口中单击“Create a new model（创建新模型）”图标，这样就打开一个尚未命名的模型窗口。把Simulink库浏览器中的单元拖拽进入这个模型窗口，构造自己需要的模型。对各个单元部件的参数进行设定，可以双击该单元部件的图标，在弹出的对话框中设置参数。

实验内容

1 用MATLAB可以识别的格式输入下面两个矩阵

1 2 A 1

3 1233

4 1 4i

357 2 3 357 B

26 7i

239

8 1894

3

3596535

78 54 2i 42

43

再求出它们的乘积矩阵C，并将C矩阵的右下角2×3子矩阵赋给D矩阵。赋值完成后，调

用相应的命令查看MATLAB工作空间的占用情况。

2 用MATLAB语言实现下面的分段函数

h,x D

y f(x) h/Dx,x D

x D h,

3 分别用for和while循环结构编写程序，求出

K 2i 1 2 22 23 262 263

i 0

63

并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。

4 选择合适的步距绘制出下面的图形 （1）sin(1/t)，其中t ( 1,1)

（2）sin(tant) tan(sint)，其中t ( , )

5 对下面给出的各个矩阵求取各种参数，如矩阵的行列式、秩、特征多项式、范数等。

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0 7.53.50 5765

8334.1 71087 0 ，B A 0 68109 9103 1.5 003.719.357910 1234 3 3 24 5678 5 518

，D C

9101112 1185 7 13141516 5 1 3 1

6 求解下面的线性代数方程，并验证得出的解真正满足原方程。

721 2 4 13213 90 9153 2 7 721 2 64

X ，(b) X (a)

2 2115 1 9153 2 117 13213 0 2 2115 2 1

(1) 绘制出各种插值算法下的拟合效果。

(2) 假设已知该数据可能满足的原型函数为y(x) ax

bx2e cx d，试求出满足下面数据的最小二乘解a,b,c,d的值。 8考虑简单的线性微分方程

y

(4)

3y

(3)

3y 4y 5y e 3t e 5tsin(4t /3)

方程初值y(0) 1,y(1)(0) y(2)(0) 1/2,y(3) 0.2,

(1) 试用Simulink搭建起系统的仿真模型，并绘制出仿真结果曲线。 *(2) 若给定的微分方程变成时变线性微分方程，

y

(4)

3ty

(3)

3ty 4y 5y e 3t e 5tsin(4t /3)

2

试用Simulink搭建起系统的仿真模型，并绘制出仿真结果曲线。

10* 建立下图所示非线性系统的Simulink模型，并观察在单位阶跃信号输入下系统的输出曲线和误差曲线。

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实验二 经典控制系统分析

实验目的

以MATLAB及Simulink为工具，对控制系统进行时域、频域及根轨迹分析。

实验原理

1、 时域分析法是根据系统的微分方程（或传递函数），利用拉普拉斯变换直接解出动态方

程，并依据过程曲线及表达式分析系统的性能。时域响应指标如图1所示。

图1 典型的系统时域响应指标表示

延迟时间td，指响应曲线第一次达到其终值一半所需要的时间。 上升时间tr，指响应曲线从终值10%上升到终值90%所需要的时间；对于有振荡的系统，也可定义为响应从零第一次上升到终值所需要的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量。

峰值时间tp，指响应超过终值达到第一个峰值所需要的时间。

调节时间ts，指响应达到并保持在终值±5%（或±2%）内所需要的时间。 超调量σ%，指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比，即：

%

h(tp) h( )

100%

h( )

稳态误差，描述系统稳态性能的一种性能指标。

2、 频域分析法通常从频率特性出发对系统进行研究。在工程分析和设计中，通常把频率特

性画成一些曲线，从频率特性曲线出发进行研究。这些曲线包括幅频特性和相频特性曲线，幅相频率特性曲线，对数频率特性曲线以及对数幅相曲线等，其中以幅相频率特性曲线，对数频率特性曲线应用最广。对于最小相位系统，幅频特性和相频特性之间存在着唯一的对于关系，故根据对数幅频特性，可以唯一地确定相应的相频特性和传递函数。根据系统的开环频率特性去判断闭环系统的性能，并能较方便地分析系统参量对系统性能的影响，从而指出改善系统性能的途径。

3、 根轨迹是求解闭环系统特征根的图解方法。由于控制系统的动态性能是由系统闭环零极

点共同决定，控制系统的稳定性由闭环系统极点唯一确定，利用根轨迹确定闭环系统的

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零极点在s平面的位置，分析控制系统的动态性能。

实验内容（带*号的可不做）

1．教材P82页，4.8（任选一个小题）和4.11，

*2．（不作要求）已知二阶系统G(s)

10

2

s 2s 10

1

n和 n2 2 n的阶跃响应2

(1) 编写程序求解系统的阶跃响应；计算系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率 …… 此处隐藏：2807字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……