控制系统CAD课程介绍

实验一MATLAB的实验环境及基本命令一实验目的：1．学习了解MA TLAB的实验环境2．在MA TLAB系统命令窗口练习有关MA TLAB命令的使用。

二实验步骤1．学习了解MA TLAB的实验环境：在Windows桌面上，用mouse双击MA TLAB图标，即可进入MA TLAB系统命令窗口：图1-1 MA TLAB系统命令窗口①在命令提示符”>>”位置键入命令:help此时显示MA T ALAB 的功能目录， 其中有“Matlab\general ”，“toolbox\control ”等；阅读目录的内容；② 键入命令：intro此时显示MA TLAB 语言的基本介绍，如矩阵输入、数值计算、曲线绘图等。

要求阅读命令平台上的注释内容，以尽快了解MA TLAB 语言的应用。

③ 键入命令：help help显示联机帮助查阅的功能，要求仔细阅读。

④ 键入命令：into显示工具箱中各种工具箱组件和开发商的联络信息。

⑤ 键入命令：demo显示MA TLAB 的各种功能演示。

2． 练习MA TLAB 系统命令的使用。

① 表达式MA TLAB 的表达式由变量、数值、函数及操作符构成。

实验前应掌握有关变量、数值、函数及操作符的有关内容及使用方法。

练习1-1: 计算下列表达式:要求计算完毕后，键入相应的变量名，查看并记录变量的值。

②．向量运算： )6sin(/250π=d 2/)101(+=a )sin(3.2-=e c i b 53+=n 维向量是由n 个成员组成的行或列数组。

在MA TLAB 中，由分号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；由逗号或空号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；同维的向量可进行加减运算，乘法须遵守特殊的原则。

练习1-2已知：X=[2 ；-4；8]求 ：Y=R ＇；P=5*R ；E=X .*Y ；S=X ＇* Y练习1-3⑴产生每个元素为1的4维的行向量；⑵产生每个元素为0的4维的列向量；⑶产生一个从1到8的整数行向量，默认步长为1；⑷产生一个从π到0，间隔为π/3的行向量；③矩阵基本运算操作。

“控制系统CAD及仿真”课程教学改革探讨摘要:为了进一步提高自动化本科学生的系统设计及应用能力,提高教学质量效果,结合作者的教学实践经验,从课程的教学目的,面临问题,教学实验以及课程考核方式等方面对“控制系统计算机仿真”课程进行探讨。

关键词:控制系统仿真教学改革1 课程教学目的“控制系统CAD及仿真”课程是电气与电子工程系自动化专业方向的一门专业选修课,课程主要通过Matlab仿真软件的学习,对控制系统设计进行分析和仿真,为系统工程实现打好理论坚实基础。

本课程将向学生传授“仿真技术”这一利器,并要使学生清楚:随着新技术的不断发展,将会不断地产生更有效、更实用的“仿真工具”,应该不断地学习与掌握之,以使自己能够“与时俱进”。

为学生讲明“仿真技术”中所涉及的基本原理、基本概念与基本方法,因为它是能够有效运用“仿真工具”的理论基础。

为学生提出一些“生动有趣、启迪思想”的工程实际问题,努力创造一个“自由畅想、激发创造”的空间,以使大家从中体会到:“仿真技术”是学习、科研以及生活中不可缺少的“有力工具”。

2 课程教学面临问题仿真技术对于自动化工程技术人员来说意义重大,如何将这种前沿技术引入仿真技术类课程的教学中来,并提高学生的学习兴趣,激发学生的创造意识,开阔他们的思维视野,是本课程面临的重要问题之一。

2.1 教学方式的多样性问题与“电路理论”等理论性专业基础课有所不同,计算机的飞速发展、新的仿真技术不断出现,要求“仿真技术”类课程的教学方式应该与时俱进。

目前,大多数院校都具备多媒体教学条件,应该改进传统的教学模式,充分利用多媒体教学条件,应用现代化的教学手段,加深学生对问题的理解,反映最新的技术,从而达到教学效果的目的。

可以结合仿真实例,以动画、视频及软件演示的方式,让学生获取知识的方式更加直观和生动。

2.2 能力的培养与训练仿真技术类课程应该将能力培养放在第一位,学生掌握基本原理、概念和方法是最低层次,这些在前面的专业基础课里面都应该已经掌握,仿真类课程不是对这些知识的复习;应该充分利用仿真工具,使学生加深理解所学课程与知识内容,培养学生独立分析和解决问题的能力,激发学生的创造意识,训练学生的思维方法,是仿真技术类课程教学所面临的深层次问题。

炎黄技工学校《AutoCAD计算机辅助设计》教学大纲理论课时0实践课时72总课时72考核形式考查编写时间2022-03编写人审核人机电信息工程系计算机技术教研室编《AutoCAD计算机辅助设计》课程标准课程名称：AutoCAD计算机辅助设计适用专业：计算机网络应用课程学分：4学分计划学时：72学时一、课程概述１、课程性质与任务：《Auto CAD》是计算机专业重要的课程之一，本课程依据学生情况着重AutoCAD绘制、标注、打印等工具在室内设计表现图方面的应用。

教学中根据室内设计的特点，有所侧重，突出应用。

重点放在墙线、图例、详图、标注等方面。

注重空间布局图和施工图的学习和练习，使学生能在较短的时间内掌握Auto CAD，并能较好地运用在今后的学习及工作中。

２、课程基本理念：《Auto CAD》是一门专业基础课，它是随着工程制图和计算机应用技术的不断发展而产生的。

在介绍计算机辅助设计基础知识的基础上，以居室室内设计实例为范例，将计算机技术应用于居室室内设计中的制图，重点介绍软件AUTOCAD 2014的基本知识、使用操作和绘图方法，提高学生工程设计图纸的速度和质量。

它非常适合于当今社会发展的需要。

通过本课程的学习，使学生能掌握基本的工程CAD操作，基本能够完成普通的绘图任务。

３、课程设计思路：以校企合作，工学结合为平台，以案例教学为途径，倾力打造CAD制图人员的课程。

主要思路有：加强实践案例教学，充分利用校内计算机实训室，加大实践课时，进行教师现场辅导，师生互动交流；利用“工学结合，校企合作”机遇，积极进行顶岗实习，参与项目工程合作，培养实际动手、动脑能力；与职业技能鉴定结合，或结合软件工程师考证，明确培养目标，加强上机训练、为就业拓宽一条路子。

二、课程目标1、能力目标：能根据设计要求绘制室内空间中的平面图●能根据设计要求绘制室内空间中的顶面图●能根据设计要求绘制室内空间中的立面图●能根据设计要求绘制室内空间中的节点详图2、知识目标：掌握CAD的基本原理，制图过程、方法与技巧。

《控制系统仿真与CAD实验课程报告、实验教学目标与基本要求上机实验是本课程重要的实践教学环节。

实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过上机加强学生的实验手段与实践技能，掌握应用MATLAB/Simulink求解控制问题的方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质。

通过对MATLAB/Simulink进行求解，基本掌握常见控制问题的求解方法与命令调用，更深入地认识和了解MATLAB语言的强大的计算功能与其在控制领域的应用优势。

上机实验最终以书面报告的形式提交，作为期末成绩的考核内容。

二、题目及解答第一部分：MATLAB必备基础知识、控制系统模型与转换、线性控制系统的计算机辅助分析1.考虑碧名的Rossol化学反应方程组选定d = c = 且T1(O)= r2(0) = x3(0) =0.绘制仿育勢果的三维相轨:卜并傅出其在脣丫平面上的投彭.>>f=i nlin e('[-x (2)-x(3) ;x(1)+a*x(2);b+(x(1)-c)*x(3)]','t','x','flag','a','b','c');[t,x]=ode45( f,[0,100],[0;0;0],[],0.2,0.2,5.7);plot3(x(:,1),x(:,2),x(:,3)),grid,figure,plot(x( :,1),x(:,2)),grid2.求解下囲的最优化问题”(a) min -2JTI十ar空)(4谥+鬭* ' 'X firtn <I 工 1 .jra>0>>y=@(x)x(1F2-2*x(1)+x(2);ff=optimset;rgeScale='off;ff.TolFun=1e-30;ff.TolX =1e-15;ff.TolCon=1e-20;x0=[1;1;1];xm=[0;0;0];xM=[];A=[];B=[];Aeq=[];Beq=[];[x,f,c,d] =fmi nco n(y,x0,A,B,Aeq,Beq,xm,xM,@wzhfc1,ff)Warning: Opti ons LargeScale = 'off and Algorithm = 'trust-region-reflective' conflict.Ignoring Algorithm and running active-set algorithm. To run trust-region-reflective, set LargeScale = 'on'. To run active-set without this warning,use Algorithm = 'active-set'.> In fmincon at 456Local minimum possible. Constraints satisfied.fmincon stopped because the size of the current search direction is less than twice the selected value of the step size tolerance and constraints are satisfied to within the selected value of the constraint tolerance.<stopping criteria details>Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-20):lower upper ineqlin ineqnonlin2x =1.00001.0000f =-1.0000c =iterations: 5 fun cCou nt: 20Issteple ngth: 1stepsize: 3.9638e-26algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newt on, li ne-search' firstorderopt: 7.4506e-09con strviolati on: 0 message: [1x766 char]3.请持下面的传递函數欖理输入到MATLAB环境"闾*)=科晶舞FT⑹恥)=时备瞎而护秒(a) >> s=tf('s');G=(s A3+4*s+2)/(s A3*(s A2+2)*((s A2+1)A3+2*s+5))sA3 + 4 s + 2sA11 + 5 sA9 + 9 sA7 + 2 sA6 + 12 sA5 + 4 sA4 + 12 sA3 Con ti nu ous-time tran sfer function.(b)>> z=tf('z',0.1);H=(zA2+0.568)/((z-1)*(zA2-0.2*z+0.99))H =zA2 + 0.568z A3 - 1.2 z A2 + 1.19 z - 0.99Sample time: 0.1 sec ondsDiscrete-time tran sfer function.4.假设描述系统的常微分方程为期⑶⑹+ 13y(t)十4讥站+ = 请选择一组状态变量，并将此方程在MATLAB工作空闻中表示出来.如果想得到系统的传递菌数和零极点模型：我V将如何求取？得出的结果又是怎样西？由徴分方程模型能否直接写岀系统的传递函数模型？>> A=[0 1 0;0 0 1;-15 -4 -13];B=[0 0 2]';C=[1 0 0];D=0;G=ss(A,B,C,D),Gs=tf(G),Gz=zpk(G)x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -15 -4 -13b =u1x1 0x2 0x3 2c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Con ti nu ous-time state-space model.Gs =s A3 + 13 s A2 + 4 s + 15Con ti nu ous-time tran sfer function.Gz =(s+12.78) (sA2 + 0.2212s + 1.174)Con ti nu ous-time zero/pole/ga in model.5.已知某系统的差分方程摸型为+ 2) + y(k+ 1.)十0】切的=卷依+ 1.) v2u(k).试将其输入到MATLAB X作空间"设采样周期为0.01s>> z=tf('z',0.01);H=(z+2)/(zA2+z+0.16)H =z A2 + z + 0.16Sample time: 0.01 sec onds Discrete-time tran sfer function.6.假设某单位负反馈系统申，=(3十+劄+ 5)’ G C (3) = (K F S 七瓦订2、试用 MAT1 - A 13推导岀闭环系统的传递函数模型。

<全国自动化科学技术应用学术会议>>2000年控制系统CAD软件的设计与应用周黎辉董泽韩璞(华北电力大学动力工程系,保定071003)摘要论述了在控制系统CAD——CAE2000系统的软件设计中，采用了面向对象的方法进行需求分析、结构设计和软件开发的软件设计过程，解决了如何组态任意控制系统的问题，使其满足方框图语言与可视化相结合的技术要求，使系统的设计更加规范，系统的可维护性、可扩展性都大为提高。

关键词面向对象控制计算机辅助设计方框图语言1．引言在过去的十几年中，控制系统计算机辅助设计（CSCAD）技术已经发生了重大变化，特别是其CAD算法日益成熟，已经形成了比较完善的算法体系，但是在实际应用中，往往缺乏具有较好的通用性、便利性和开放性的软件工具。

由于近几年计算机软、硬件技术的快速发展，以及设计理论上的重大突破，使得大型的CSCAD平台化软件工具得以能够实现，而且辅助设计、辅助分析和辅助教学等多种功能已经融合在一起[1]。

2．CAE2000系统目前国外已经出现了一些有代表性的、成熟的CSCAD软件，比如MATLAB、ISL、VisSim和MATRIXx等，其中由美国MathWorks公司推出的MATLAB软件以及与之配套的SIMULINK软件由于采用了面向方框图语言技术与可视化技术，使得其成为功能较完善和具有代表性的CSCAD软件之一[2]。

到九十年中期，我国新一代CSCAD软件的开发，还处于起步阶段，基本上还没有与之相当的软件面世。

针对这种新的发展，我们开发了一套CSCAD系统——CAE2000系统。

CAE2000系统是一个集控制系统计算机辅助分析、辅助设计和辅助教学为一体的多功能、一体化的计算机辅助工程系统。

该系统除了具有一般CSCAD软件的组态、仿真功能外，还特别为接近工程实际和结合过程控制的特点，具备了实时仿真、通过过程通道设备与硬件结合仿真、软操作面板以及过程控制流程图等多种功能，这些功能是一般同类软件所不具备的，同时CAE2000还提供了拟合传递函数、控制器参数寻优、控制理论分析、控制系统CAD算法以及多种现代控制器研究等一系列从工程实际到理论分析的多种工具，这些也是一般CSCAD软件所不具备的。

《控制系统CAD及仿真》实验指导书自动化学院自动化系实验一SIMULINK 基础与应用一、实验目的1、熟悉并掌握Simulink 系统的界面、菜单、工具栏按钮的操作方法；2、掌握查找Simulink 系统功能模块的分类及其用途，熟悉Simulink 系统功能模块的操作方法；3、掌握Simulink 常用模块的内部参数设置与修改的操作方法；4、掌握建立子系统和封装子系统的方法。

二、实验内容：1. 单位负反馈系统的开环传递函数为：1000()(0.11)(0.0011)G s s s s =++应用Simulink 仿真系统的阶跃响应曲线。

2．PID 控制器在工程应用中的数学模型为：1()(1)()d p i d T s U s K E s T s T s N=++ 其中采用了一阶环节来近似纯微分动作，为保证有良好的微分近似效果，一般选10N ≥。

试建立PID 控制器的Simulink 模型并建立子系统。

三、预习要求：利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。

实验二 控制系统分析一、 实验目的1、掌握如何使用Matlab 进行系统的时域分析2、掌握如何使用Matlab 进行系统的频域分析3、掌握如何使用Matlab 进行系统的根轨迹分析4、掌握如何使用Matlab 进行系统的稳定性分析5、掌握如何使用Matlab 进行系统的能观测性、能控性分析 二、 实验内容： 1、时域分析（1）根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并在图上读标注出峰值，求出系统的性能指标。

8106)65(5)(232+++++=s s s s s s G （2）已知两个线性定常连续系统的传递函数分别为1G (s)和2G (s)，绘制它们的单位脉冲响应曲线。

451042)(2321+++++=s s s s s s G ， 27223)(22+++=s s s s G （3）已知线性定常系统的状态空间模型和初始条件，绘制其零输入响应曲线。