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《Matlab与控制系统仿真》实验指导书

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机械与汽车工程学院《Matlab控制系统仿真》实验指导书学院班级姓名学号浙江科技学院机械与汽车工程学院制实验一 MATLAB语言基本命令1 实验目的1. 掌握科学计算的有关方法，熟悉MA TLAB语言及其在科学计算中的运用；2. 掌握MATLAB的命令运行方式和M文件运行方式；3. 掌握矩阵在MA TLAB中的运用。

2 实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3 实验内容(1). 输入A=[7 1 5;2 5 6;3 1 5]，B=[1 1 1; 2 2 2;3 3 3]，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3)A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*BA^2 A.^2 B/A B./A(2).输入C=1:2:20，则C（i）表示什么？其中i=1,2,3, (10)(3).查找已创建变量的信息，删除无用的变量；(4). 试用help命令理解下面程序各指令的含义：cleart =0:0.001:2*pi;subplot(2,2,1);polar(t, 1+cos(t))subplot(2,2,2);plot(cos(t).^3,sin(t).^3)subplot(2,2,3);polar(t,abs(sin(t).*cos(t)))subplot(2,2,4);polar(t,(cos(2*t)).^0.5)4 实验步骤：打开MA TLAB程序，将实验内容中的题目依次输入MATLAB中，运行得到并记录结果，最后再对所得结果进行验证。

5 实验报告要求记录实验数据,理解其含义实验二 MATLAB语言程序设计1 实验目的（1）掌握Matlab程序的编制环境和运行环境。

（2）掌握Matlab程序的编写方法。

（3）能编写基本的数据处理Matlab程序。

（4）能编写基本的数据可视化Matlab程序。

2 实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3 实验内容(1) Matlab脚本文件编写和执行(2) Matlab 函数文件的编写和调用(3) nargm和nargout函数使用方法(4) 局部变量与全局变量使用4 实验步骤1、Matlab命令文件编写(1) 建立自己工作目录，如/Mywork。

(2) 设置工作目录的搜索路径。

(3) 打开新的M文件编辑器中(4) 在编辑器中完成（求小于2000且为2的整数次幂的正整数）的程序内容,调试后，将其以test1.m形式保存在/Mywork中2、Matlab函数文件编写编写（求小于任何指定的正整数n且为2的整数次幂的正整数）的函数文件, 调试后，将其以tt.m形式保存在/Mywork中3、nargm和nargout函数使用方法利用nargm函数，编写函数文件testarg(a,b)，从而实现因参数个数的不同，分别调用函数内部不同的的执行内容。

4. 全局变量使用利用全局变量编写函数weight_add，实现将输入的参数加权相加5 实验报告要求把调试好的脚本文件和函数文件，清晰的写入报告中，并附加一些语句的解释。

实验三 典型数控机床建模1 实验目的(1) 了解数控机床进给系统的建模方法；(2) 熟练M 语言与simulink 建模仿真方法2 实验器材计算机WinXP 、Matlab7.0软件3 实验内容进给系统的精度是影响数控机床的精度主要因素，进给伺服系统根据数控装置发来的速度与位移指令信号，由伺服电路做一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构等执行部件实现工件进给和运动，达到加工出所需的工件外形和尺寸。

本实验以CK7815数控机床进给系统常用的步进电机、滚珠丝杠等构成的经典结构为对象，建立数控机床进给系统的数学模型（用系统方块图表示）。

4 实验步骤按图1所示，分析CK7815数控机床进给部分的结构，由DC 伺服电机通过一级减速齿轮和滚珠丝杠螺母机构驱动工作台运动。

利用运动学原理构建出驱动电机和机械系统模型，从而获得整体进给系统的数学模型。

图1.直流伺服进给系统方块图（1）．对于永磁直流电动机，其微分方程式为()()()()()()()()()M T a a a a a a b b b M M M M T K i t di t L R i t u t e t dt e t K t d t J B t T dt ωωω=⎫⎪⎪+⋅=-⎪⎬=⎪⎪+=⎪⎭(1)式中：M T 为电机输出力矩；T K 为电机扭转刚度系数；a L 为电枢回路的电感；a R 为电枢回路的总电阻；()a i t 为电枢回路的电流；()a u t 为电枢回路的控制电压；()b e t 为电机的反电动势；b K 为测速电机系数；M ω为电机输出转速；J 为折算到电机轴上的总转动惯量；B 为折算到电机轴上的总粘性阻尼系数。

若设功率放大器的增益为a K ，电机的输出转角有关系Mθω= ，将式（1）进行拉氏变换，获得输出转角与输入电枢的控制电压间关系为：()()()()()a T M a a a T b K K s G s u s s L s R Js B K K sθ==+++ (2) （2）机械传动装置：设,,J B k 分别为机械传动装置折算到电机轴上的等效转动惯量、等效回转阻尼系数和等效扭转刚度系数。

经过等效变换后，机械传动装置可简化为图2所示系统。

M T 为电机驱动转矩，θ为电机输入转角，1θ为电机轴在负载作用下的实际转角。

图2. 等效机械传动装置简图由图所示可以列出平衡方程11112202101111()()2)()()2M M k J B T k z Js Bs k x s k s z x z L T J B z L θθθθθθπθπθθθ⎫-=+=-⎫⎪⎪⇒⇒++=⎬⎬==+⎪⎭⎪⎭（又 (3) 则输入转角θ与工作台0x 之间的传递函数为：1220122222()()()22n J n nz L k z x s z L G s s Js Bs k z s s πωθπζωω⎛⎫⋅ ⎪⎝⎭===⋅⋅++++ (4) 式中：12,,z z L 为齿轮1,2的齿数和丝杠导程，n k Tω=为进给系统的无阻尼固有频率，2B Jkζ=为进给系统的阻尼比。

在仿真时，据伺服驱动系统要求，取放大器增益5a K =，电机参数20.002,0.48,0.23,0.003,0.001a a T b L H R K K J kg m B ==Ω===⋅=z1/z2=0.5, L=4mm,0.5,100n ξω==(3) 检测装置：将编码器测得的实际位移量，以脉冲数直接反馈到输入端，设传递函数为1 。

(4) 比较转换装置将指令与反馈脉冲比较，差值经过D/A 转换，变为电压信号a u 。

该环节为比例环节增益为 2.5c K =。

(5) 根据永磁直流电动机的传函式(2)与机械传动装置的传函式(4),在实验报告中，编写系统闭环的的位置阶跃响应仿真的M 脚本文件或者利用simulink 构建方块图进行仿真。

(6) 观察所得到的结果进行分析5 实验报告要求（1）编写M 脚本程序进行调试，完成进给系统的位置闭环仿真。

（2）构建进给系统的闭环simulink 仿真，与脚本语言进行比较。

（3）根据仿真结果进行必要的说明。

实验四 SIMULINK的初步使用1 实验目的（1）熟悉Matlab中基本Simulink仿真环境；（2）掌握simulink进行系统仿真设计的基本步骤。

（3）了解simulink 中各模块库；（4）掌握仿真系统参数设置及子系统封装技术2 实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3 实验内容（1）在命令窗口输入simulink，观察其模块库的构成；（2）搭建一个简单的simulink二阶不稳定系统的阶跃响应仿真模型（3）设计PID控制器实现稳定阶跃响应（4）封装PID控制器4 实验步骤(1) 建立新的simulink模块编辑界面。

(2) 在simulink模块中的continue模块集中拉出Transfer Fun 模块，从Sink模块集中拉出阶跃信号模块，从Math operations模块集中拉出Sum模块，从Sink模块集中拉出Scope模块，构建二阶系统23s0.43s-+的阶跃响应的系统模块图.(3) 通过设定Simulink 解法器的相关参数，进行仿真并从结果中判断说明系统的稳定性。

(4) 在原有系统模块的基础上，从continue模块集中拉出Derivative、Integrator以及从Math Operations模块集中拉出Gain模块，设计PID控制器，对原系统进行串联校正。

(5) 对PID控制器进行封装。

5 实验报告要求（1）画出二阶系统的阶跃响应的系统模块图和结果，说明系统不稳定的理由。

（2）画出PID控制系统的在不同参数下的仿真曲线。

实验五 MATLAB 控制系统工具箱使用1 实验目的（1）了解Matlab 控制系统工具箱中常用函数.（2）掌握模型转换方法以及奈氏图、伯德图的绘制。

（3）掌握系统脉冲、阶跃等响应的仿真方法2 实验器材计算机WinXP 、Matlab7.0软件3 实验内容（1）利用residue 函数求取传递函数的部分分式展开式（2）利用tf 函数构建系统传递函数（3）利用impulse 、step 、lsim 等函数仿真系统的单位脉冲、阶跃、速度响应。

（4）画出单位负反馈的开环传递函数的在频率0.01-100rad/s 间的伯德图（5）画出系统的乃奎斯特图4 实验步骤(1) 写出传递函数43243211395226()10355024s s s s G s s s s s ++++=++++的部分展开式a. 列些分子num 、分母den 的系数b. 利用residue(num,den) 求出零极点和余项c. 把部分展开式写入实验报告。

（2）对于系统3237(23)()(31)(2)(538)s G s s s s s s +=++++ a.首先利用conv 函数展开分母，获得各阶系数，此时num=[14 21];den=conv(conv(conv([1 0 0], [3 1]),conv([1 2],[1 2])), [5 0 3 8])b.再利用tf 函数构建传递函数c. 结果写入实验报告（3）a. 用tf(num,den)函数构建高阶系统传递函数2654322050()1584223240100s s G s s s s s s ++=+++++ b.构建时间向量tc 用函数impulse 及step 仿真系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应d. 用lism 函数仿真系统速度响应e. 程序调试成功后，写入实验报告（4）绘制单位负反馈的开环传递函数10(1)()(7)s G s s s +=+的伯德图。

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控制系统仿真实验指导书及解答

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实验一 MATLAB 软件操作练习一、 实验目的1. 熟悉MATLAB 软件的基本操作；2. 学会利用MATLAB 进行基本数学计算的方法；3. 学会用MATLAB 进行矩阵创建和运算。

二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 使用help 命令，查找 sqrt （开方）、roots (求根)等函数的使用方法；2. 用MATLAB 可以识别的格式输入以下矩阵75350083341009103150037193......A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦并将A 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。

3. 矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8];求A^2*B（2）矩阵除法已知 A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];A\B,A/B（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];求A.', A'（4）使用冒号选出指定元素已知： A=[3 2 3;2 4 6;6 8 10];求A 中第3列前2个元素；A 中所有列第2，3行的元素；4. 分别用for 和while 循环结构编写程序，求出6323626302122222i i K ===++++++∑并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。

四、实验步骤1. 熟悉MATLAB 的工作环境，包括各菜单项、工具栏以及指令窗口、工作空间窗口、启动平台窗口、命令历史窗口、图形文件窗口和M 文件窗口；2． 在指令窗口中完成实验内容中规定操作并记录相关实验结果；3. 完成实验报告。

实验二 M 文件编程及图形处理一、实验目的1．学会编写MATLAB 的M 文件；2．熟悉MATLAB 程序设计的基本方法；3. 学会利用MATLAB 绘制二维图形。

二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 选择合适的步距绘制出下面的图形（1）sin(tan )tan(sin )t t -，其中(,)t ππ∈-（2）-0.5t y=e sin(t-)3π，t ∈[0，20]（3）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)， t ∈[0，2π]2.基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的x1=10sint 曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）给横坐标标注’t ’，纵坐标标注‘y(t)‘，3.M 文件程序设计（1）编写程序，计算1+3+5+7+…+(2n+1)的值（用input 语句输入n 值）；（2）编写分段函数⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-<≤=其它021210)(x x x x x f的函数文件，存放于文件ff.m 中，计算出)2(f ，)3(-f 的值四、实验要求1. 预习实验内容，按实验要求编写好实验程序；2. 上机调试程序，记录相关实验数据和曲线，3. 完成实验报告。

控制系统MATLAB仿真实验指导书

控制系统MATLAB仿真实验指导书

1实验5. 控制理论仿真实验1 控制系统的建模一、实验目的1.学习在MATLAB 命令窗口建立系统模型的方法；2.学习如何在三种模型之间相互转换；3.学习如何用SIMULINK 仿真工具建模。

二、相关知识1.传递函数模型设连续系统的传递函数为：nn n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s den s num s G ++++++++==----11101110)()()( 设离散系统的传递函数为：n n n n m m m m a z a z a z a b z b z b z b z den z num z G ++++++++==----11101110)()()( 则在MATLAB 中，都可直接用分子/分母多项式系数构成的两个向量num 与den 构成的矢量组[num ,den ]表示系统，即num =],,,[10m b b b den =],,,[10n a a a建立控制系统的传递函数模型（对象）的函数为tf (),调用格式为：sys=tf (num ,den )sys=tf (num ,den ,Ts)sys=tf(othersys)sys=tf (num ,den )返回的变量sys 为连续系统的传递函数模型。

sys=tf (num ,den ,Ts)返回的变量sys 为离散系统的传递函数模型，Ts 为采样周期，当Ts=-1或Ts=[]时，系统的采样周期未定义。

sys=tf(othersys)将任意的控制系统对象转换成传递函数模型。

离散系统的传递函数的表达式还有一种表示为1-z 的形式（即DSP 形式），转换为DSP 形式的函数命令为filt()，调用格式为：sys=filt(num ,den )sys=filt(num ,den ,Ts)sys=filt(num ,den )函数用来建立一个采样时间未指定的DSP 形式传递函数。

sys=filt(num ,den ,Ts)函数用来建立一个采样时间为Ts 的DSP 形式传递函数。

《MATLAB语言与控制系统仿真》实验指导书01

《MATLAB语言与控制系统仿真》实验指导书01

《MATLAB语言与控制系统仿真》实验指导书实验一、MATLAB语言环境与基本运算一、实验目的及要求1．学习了解MATLAB语言环境2．练习MATLAB命令的基本操作3．练习MATLAB数值运算相关内容4．练习MATLAB符号运算相关内容5．撰写实验报告二、实验内容1．熟悉Matlab语言环境2．1)．学习了解MATLAB语言环境MATLAB语言操作界面(主界面的各个窗口)变量查询命令who, whos 目录与目录结构搜索路径联机帮助2)．MATLAB基本操作命令demos，clc，clf，clear，contro-c(^c)，diary3．Matlab数值运算与符号运算1)．MATLAB数值运算相关内容MATLAB变量及变量赋值初等矩阵函数ones, zeros, eye, rand, randn, size矩阵的基本运算矩阵的特征运算det, eig, rank, svd 矩阵的分解运算基本数学函数矩阵的运算与点运算多项式的运算2)．MATLAB符号运算相关内容符号变量的定义基本符号运算符号运算的扩展实验二、MATLAB编程与绘图一、实验目的及要求1．练习MATLAB编程2．练习MATLAB二维绘图与三维绘图3．撰写实验报告二、实验内容1．MATLAB编程MATLAB关系运算MATLAB逻辑运算switch分支选择语句if条件语句for循环语句while循环语句2．MATLAB二维绘图与三维绘图MATLAB二维绘图plot, subplot, figureMATLAB三维绘图plot3, mesh, surf z=rand(10,10);>> mesh(z)[X,Y,Z]=cylinder(r,30);surf(X,Y,Z)实验三、控制系统时间响应与频率响应分析一、实验目的及要求1．练习控制系统仿真绘图2．练习控制系统的数学模型的描述3．SIMULINK系统仿真4．撰写实验报告二、实验内容1．控制系统数学模型与时域分析时间响应绘图impulse, step, lsim控制系统的数学模型tf, zp, ss; printsys, conv, feedback,控制系统的数学模型之间的相互转换2．控制系统频域分析与稳定性分析频率特性绘图bode, nichols, nyquist根轨迹图rlocus3．SIMULINK系统仿真SIMULINK的功能模块利用SIMULINK进行控制系统仿真。

控制系统仿真实验指导书(学生)

控制系统仿真实验指导书(学生)

《控制系统仿真》实验指导书天津大学仁爱学院2013年9月实验一MATLAB平台认识、编程初步实验一、实验目的1、了解MATLAB语言环境。

2、练习MATLAB命令的基本操作。

3、练习M文件的基本操作。

二、实验内容1、了解MATLAB语言环境1）MATLAB语言操作界面。

用鼠标双击图标即可打开MATLAB可见多个窗口：”Command Window” Command history”, ”workspace”等，在命令窗口”Command Wind ow”中,在命令提示符位置键入命令，完成下面的练习。

2.练习MATLAB命令的基本操作1）键入常数矩阵输入命令：a=［1 2 3］a=［1;2;3］记录结果，比较显示结果有何不同：b=［1 2 5］b=［1 2 5］;记录结果，比较显示结果有何不同：c=a*b c=a*b′记录结果，比较变量加“′”后的区别：a=［1 2 3;4 5 6;7 8 0］a^2a^0.5记录显示结果。

2）作循环命令程序：>>makesum=0;for i=1:1:100;makesum=makesum+i;end键入makesum,按回车键，记录计算结果。

3）分别执行下列命令：a=［1 2 3;4 5 6;7 8 0］poly(a)rank(a)det(a)trace(a)inv(a)eig(a)分别写出命令含义、记录结果。

3.练习M文件的基本操作1）新建文件，建.M文件2）输入程序function [m,s]=findsum(k)s=0;m=0;while (s<=k),m=m+1;s=s+m; end3）另存为“findsum．m”文件这样就可以在MATLAB环境中对不同的k值调用该函数了。

例如，若想求出大于的最小m值，则可以得出如下命令：在命令窗口中输入>>[m1,s1]=findsum()，观察记录结果。

三、实验报告要求按照上述步骤进行实验，并按实验记录完成实验报告。