“控制系统数字仿真与CAD”实验指导书

控制系统数字仿真与CAD课程设计课程背景控制系统数字仿真与CAD课程是一门涵盖了控制系统的基础理论以及控制系统CAD仿真实践的课程。

本课程主要教授学生掌握数字仿真与CAD技术在控制系统领域中的应用和实践。

控制系统数字仿真与CAD课程意在为学生开拓思路提供技术支持，同时也为学生将来走向控制系统领域提供必要的基础技能与实践经验。

课程目标•培养学生使用数字仿真软件进行控制系统仿真的能力。

•培养学生使用CAD软件进行控制系统图形设计与绘制的能力。

•培养学生将仿真与CAD技术应用于控制系统设计、分析与解决问题的能力。

•培养学生掌握控制系统相关的专业术语、技能与知识。

课程内容第一章基础知识本章主要是介绍控制系统的基础知识，包括控制系统的定义、分类、特点以及控制系统分析与设计的基础知识。

此外，还会介绍数字仿真与CAD技术在控制系统领域中的应用、主要功能与特点。

第二章仿真技术本章主要介绍数字仿真技术在控制系统中的应用，包括仿真的概念、方法、分类、技术流程以及仿真软件的选择、应用与实践。

此外，还会介绍仿真软件的主要功能与应用场景。

第三章 CAD技术本章主要介绍CAD技术在控制系统中的应用，包括CAD的概念、原理、主要技术与CAD软件的应用。

此外，还会介绍CAD技术在控制系统中的实践应用以及CAD软件的主要功能与应用场景。

第四章仿真与CAD技术在控制系统中的应用本章主要介绍仿真与CAD技术在控制系统中的应用，包括如何将仿真与CAD技术应用于控制系统设计、分析与解决问题；例如，如何绘制控制系统的传动布置图、控制系统的电气接线图等等。

此外，还会介绍仿真与CAD技术在控制系统维护、故障排查和升级改造中的应用。

第五章课程设计本章主要是针对控制系统数字仿真与CAD技术进行综合性的课程设计。

在课程设计中，学生需要综合应用数字仿真与CAD技术进行控制系统的设计与模拟仿真，从而提高问题解决能力、创新实践能力和综合应用能力。

课程评分1.课堂表现：20%2.仿真实验报告：30%3.CAD图形设计：20%4.课程设计报告：30%总结控制系统数字仿真与CAD课程设计是一门涵盖控制系统的基础理论，同时也重点介绍了CAD与数字仿真技术在控制系统领域中的应用和实践。

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及数字仿真实验指导书自动化系目录第一章前言............... (2)第二章控制系统CAD及数字仿真实验1．控制系统稳定性的MATLAB辅助分析 (3)2．数据处理方法的MATLAB实现 (4)3．控制系统数字仿真的实现． (5)4．基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统仿真实验 (6)5．双闭环直流调速系统设计仿真实验．........... .... .... .... .7 6．水箱液位控制仿真实验．.......................... .. .... . .8第一章前言本实验课程是与学科基础选修课程《控制系统CAD及数字仿真》相配合的实践课程。

作为联系自动控制理论、自动控制系统设计、课程设计、毕业设计等教学环节的仿真技术类课程，其不仅可以使学生加强课程的学习效果，而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具，有效加强教学中的实践性教学环节，提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。

开设本课程的目的，主要是培养学生运用MATLAB语言进行编程和仿真的能力，为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。

一、上机实验要求1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱与SIMULINK软件包。

2、能根据有关控制算法，编写有关的MATLAB程序。

3、能对实验结果进行分析和讨论，得到相关的实验结论。

二、上机实验的基本程序：1、明确实验任务。

2、提出实验方案。

3、编制有关的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型。

4、进行实验操作，作好观测和记录，保存有关的实验数据。

5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行上机实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。

要做好各个上机实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。

实验一控制系统稳定性的MATLAB辅助分析一、实验目的学会在MATLAB环境下对线性控制系统进行稳定性分析。

写，均要求用标准Ａ４纸进行撰写，单栏排版，单面打印，并左侧装订，以便于报告最终的批阅与存档，（对于存在“逻辑混乱” 、“文字不清” 、“作图潦草” 、“排版混乱”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。

封页：（参考最后一页的“封页”格式）正文：（小四字体）仿真实验题目 1、 2、 3、 4、 5、五、思考题 1．在系统启动过程的第 2 阶段中，理想的电流特性为：实际值小于给定/设定值，试说明为何？引言原理/建模设计/分析/论述仿真实验/结果分析结论（思考题解答） 2．动态性能中，电流/转速特性的“超调量”与理论值是否有偏差？；如有偏差，试给出分析/解释。

3．在“双闭环直流电动机调速系统”中，电流调节器与速度调节器的输出都要设置“限幅” ，试说明：你是如何选取限幅值的？ 4．假设系统中的励磁电压减小/增加，试说明：系统转速将可能怎样变化？参考文献： [1] 张晓华主编《控制系统数字仿真与 CAD》第 3 版机械工业出版社 2009 [2] 张晓华主编《系统建模与仿真》清华大学出版社 2006 [3] 陈伯时主编《电力拖动自动控制系统》第 3 版机械工业出版社 2008 25
“控制系统数字仿真与CAD” 仿真实验报告姓班学名：级：号：联系电话： Email: 提交日期： 26。

《控制系统仿真与CAD》实验指导书朱品伟《控制系统仿真与CAD》实验指导书江苏理工学院电气信息工程学院朱品伟 2021.12实验一 Matlab使用方法和程序设计一、实验目的1、掌握Matlab软件使用的基本方法；2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制4、熟悉Matlab程序设计的基本方法二、实验内容 1、帮助命令使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法； 2、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 1 2;4 9 6;5 7 9]; B=[1 2 1;3 2 4;5 8 3]; 求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=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素；（5）方括号[]用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列。

3、多项式（1）求多项式的根（2）已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] 求矩阵A的特征多项式;求特征多项式中未知数为20时的值；把矩阵A作为未知数代入到多项式中； 4、基本绘图命令（1）绘制余弦曲线y=cos(t)，t∈[0，2π]（2）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] 5、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）坐标轴控制：显示范围、刻度线；（3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本； 6、基本程序设计（1）编写命令文件：计算1+2+…+n<2000时的最大n值；（2）编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到n次幂的和。

《控制系统仿真与CAD》实验课程报告一、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.>>f=inline('[-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.>>y=@(x)x(1)^2-2*x(1)+x(2);ff=optimset;rgeScale='off';ff.TolFun=1e-30;ff.Tol X=1e-15;ff.TolCon=1e-20;x0=[1;1;1];xm=[0;0;0];xM=[];A=[];B=[];Aeq=[];Beq=[];[ x,f,c,d]=fmincon(y,x0,A,B,Aeq,Beq,xm,xM,@wzhfc1,ff)Warning: Options LargeScale = 'off' and Algorithm ='trust-region-reflective' conflict.Ignoring Algorithm and running active-set algorithm. To runtrust-region-reflective, setLargeScale = 'on'. To run active-set without this warning, useAlgorithm = 'active-set'.> In fmincon at 456Local minimum possible. Constraints satisfied.fmincon stopped because the size of the current search direction is less thantwice the selected value of the step size tolerance and constraints aresatisfied 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 =4d =iterations: 5funcCount: 20lssteplength: 1stepsize: 3.9638e-26algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search'firstorderopt: 7.4506e-09constrviolation: 0message: [1x766 char]3.(a) >> s=tf('s');G=(s^3+4*s+2)/(s^3*(s^2+2)*((s^2+1)^3+2*s+5))G =s^3 + 4 s + 2------------------------------------------------------s^11 + 5 s^9 + 9 s^7 + 2 s^6 + 12 s^5 + 4 s^4 + 12 s^3Continuous-time transfer function.(b)>> z=tf('z',0.1);H=(z^2+0.568)/((z-1)*(z^2-0.2*z+0.99))H =z^2 + 0.568-----------------------------z^3 - 1.2 z^2 + 1.19 z - 0.99Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.4.>> A=[0 1 0;0 0 1;-15 -4 -13];B=[0 0 2]';C=[1 00];D=0;G=ss(A,B,C,D),Gs=tf(G),Gz=zpk(G)G =a =x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -15 -4 -13b =u1x1 0x2 0x3 2c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gs =2-----------------------s^3 + 13 s^2 + 4 s + 15 Continuous-time transfer function.Gz =2---------------------------------(s+12.78) (s^2 + 0.2212s + 1.174) Continuous-time zero/pole/gain model.5.设采样周期为0.01s>> z=tf('z',0.01);H=(z+2)/(z^2+z+0.16) H =z + 2--------------z^2 + z + 0.16Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.6.>> syms J Kp Ki s;G=(s+1)/(J*s^2+2*s+5);Gc=(Kp*s+Ki)/s;GG=feedback(G*Gc,1) GG =((Ki + Kp*s)*(s + 1))/(J*s^3 + (Kp + 2)*s^2 + (Ki + Kp + 5)*s + Ki)7.(a)>>s=tf('s');G=(211.87*s+317.64)/((s+20)*(s+94.34)*(s+0.1684));Gc=(169.6*s+400)/(s*(s+4));H=1/(0.01*s+1);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG)GG =359.3 s^3 + 3.732e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056----------------------------------------------------------------0.01 s^6 + 2.185 s^5 + 142.1 s^4 + 2444 s^3 + 4.389e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056Continuous-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x6x1 -218.5 -111.1 -29.83 -16.74 -6.671 -3.029x2 128 0 0 0 0 0x3 0 64 0 0 0 0x4 0 0 32 0 0 0x5 0 0 0 8 0 0x6 0 0 0 0 2 0b =u1x1 4x2 0x3 0x4 0x5 0x6 0c =x1 x2 x3 x4 x5 x6y1 0 0 1.097 3.559 1.668 0.7573d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gz =35933.152 (s+100) (s+2.358) (s+1.499)----------------------------------------------------------------------(s^2 + 3.667s + 3.501) (s^2 + 11.73s + 339.1) (s^2 + 203.1s + 1.07e04) Continuous-time zero/pole/gain model.(b)设采样周期为0.1s>>z=tf('z',0.1);G=(35786.7*z^2+108444*z^3)/((1+4*z)*(1+20*z)*(1+74.04*z));Gc= z/(1-z);H=z/(0.5-z);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG)GG =-108444 z^5 + 1.844e04 z^4 + 1.789e04 z^3----------------------------------------------------------------1.144e05 z^5 +2.876e04 z^4 + 274.2 z^3 + 782.4 z^2 + 47.52 z + 0.5Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x1 -0.2515 -0.00959 -0.1095 -0.05318 -0.01791x2 0.25 0 0 0 0x3 0 0.25 0 0 0x4 0 0 0.125 0 0x5 0 0 0 0.03125 0b =u1x1 1x2 0x3 0x4 0x5 0c =x1 x2 x3 x4 x5y1 0.3996 0.6349 0.1038 0.05043 0.01698d =u1y1 -0.9482Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time state-space model.Gz =-0.94821 z^3 (z-0.5) (z+0.33)----------------------------------------------------------(z+0.3035) (z+0.04438) (z+0.01355) (z^2 - 0.11z + 0.02396)Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time zero/pole/gain model.8.>>s=tf('s');g1=1/(s+1);g2=s/(s^2+2);g3=1/s^2;g4=(4*s+2)/(s+1)^2;g5=50;g6=(s^2+2) /(s^3+14);G1=feedback(g1*g2,g4);G2=feedback(g3,g5);GG=3*feedback(G1*G2,g6) GG =3 s^6 + 6 s^5 + 3 s^4 + 42 s^3 + 84 s^2 + 42 s---------------------------------------------------------------------------s^10 + 3 s^9 + 55 s^8 + 175 s^7 + 300 s^6 + 1323 s^5 + 2656 s^4 + 3715 s^3 + 7732 s^2 + 5602 s + 1400Continuous-time transfer function.9.>>s=tf('s');T0=0.01;T1=0.1;T2=1;G=(s+1)^2*(s^2+2*s+400)/((s+5)^2*(s^2+3*s+100 )*(s^2+3*s+2500));Gd1=c2d(G,T0),Gd2=c2d(G,T1),Gd3=c2d(G,T2),step(G),figure,st ep(Gd1),figure,step(Gd2),figure,step(Gd3)Gd1 =4.716e-05 z^5 - 0.0001396 z^4 + 9.596e-05 z^3 + 8.18e-05 z^2 - 0.0001289 z + 4.355e-05----------------------------------------------------------------z^6 - 5.592 z^5 + 13.26 z^4 - 17.06 z^3 + 12.58 z^2 - 5.032 z + 0.8521Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.Gd2 =0.0003982 z^5 - 0.0003919 z^4 - 0.000336 z^3 + 0.0007842 z^2 - 0.000766 z + 0.0003214----------------------------------------------------------------z^6 - 2.644 z^5 + 4.044 z^4 - 3.94 z^3 + 2.549 z^2 - 1.056 z + 0.2019Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd3 =8.625e-05 z^5 - 4.48e-05 z^4 + 6.545e-06 z^3 + 1.211e -05 z^2 - 3.299e-06 z + 1.011e-07---------------------------------------------------------------z^6 - 0.0419 z^5 - 0.07092 z^4 - 0.0004549 z^3 + 0.002495 z^2 - 3.347e-05 z + 1.125e-07Sample time: 1 secondsDiscrete-time transfer function.10.(a)>> G=tf(1,[1 2 1 2]);eig(G),pzmap(G) ans =-2.0000-0.0000 + 1.0000i-0.0000 - 1.0000i系统为临界稳定。

《控制系统仿真与CAD》课程设计指导书一、目的和任务配合《控制系统仿真与CAD》课程的理论教学，通过课程设计教学环节，使学生掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，有效地提高学生实验动手能力。

基本要求：1、利用MATLAB提供的基本工具，灵活地编制和开发程序，开创新的应用。

2、熟练地掌握各种模型之间的转换，系统的时域、频域分析及根轨迹绘制。

3、熟练运用SIMULINK对系统进行仿真。

4、掌握PID控制器参数的设计。

二、设计要求1、编制相应的程序，并绘制相应的曲线。

2、对设计结果进行分析。

3、撰写和打印设计报告（包括程序、结果分析、仿真结构框图、结果曲线）。

三、设计内容1、本次设计有八个可以选择的题目，至少选择两个题目进行设计。

2、“设计报告”要按规定的格式撰写（对于存在“逻辑混乱”、“文字不清”、“作图潦草”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。

3、无论计算机录入/打印还是手工书写，均要求用标准A4纸进行撰写，以便于报告最终的批阅与存档。

四、时间安排1、课程设计时间为一周。

2、第1天布置设计题目，讲授设计的要求。

3、第2～4天学生进行设计。

4、第5天教师验收，然后学生撰写和打印设计报告。

选题一：二阶弹簧—阻尼系统的PID 控制器设计及参数整定考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数()G s 如下，参数为M=1kg ，b=2N.s/m ，k=25N/m ，()1F s =。

设计要求：（1）控制器为P 控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。

（2）控制器为PI 控制器时，改变积分系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。

(例如当Kp=50时，改变积分系数大小)（3）设计PID 控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。

《控制系统CAD 》上机实验指导书一、课程实验目的通过运用MATLAB 软件进行控制系统的分析和设计，对控制类课程进行理论验证实验和设计实验，使学生能够进一步熟悉控制系统的原理和设计方法，更直观的了解自动控制系统的运动过程，从而提高学生对控制系统的分析和设计能力。

二、上机实验要求（1） 在MATLAB 环境下独立完成实验内容。

（2） 根据实验结果写出分析报告，报告中附上实验中所编写的程序，同时要提交该程序的电子版。

另外，实验报告中，对每一个实验除了说明实验过程及实验结果以外，要对实验中出现的问题进行分析，并进行小结。

封面要注明姓名、学号、专业等信息。

提交程序电子版时，请以学号建立一个文件夹，将实验中的程序放入该文件夹里，并建立一个readme.txt 文件，用以说明程序和实验的对应关系，以及姓名等个人信息。

三、上机实验内容（8学时）实验一（1学时）：（1）熟悉MATLAB 环境；（2）控制系统模型及其转换。

实验二（3学时）：二阶控制系统在时域和频域内的分析。

实验三（3学时）：编制程序，实现串联校正（超前、滞后、超前--滞后校正），要得到校正装置的元件数值的大小，并标称化。

① 设一单位负反馈控制系统，如果控制对象的传递函数为：)80)(4()(++=s s s K s G p 试设计一个串联超前校正装置。

要求：相角裕度≥45。

；当系统的输入信号是单位斜坡信号时，稳态误差e ss ≤0.04；取C=1μF 时，确定该串联超前校正装置的元件数据；绘制出校正后系统和未校正系统的Bode 图及其闭环系统的单位阶跃响应曲线，并进行对比。

(提示：稳态误差e ss ≤0.04 —> 取kv=1/e ss =25，k0=8000 )② 设一单位负反馈控制系统，其控制对象的传递函数为：)80)(4()(++=s s s K s G p 试设计一个串联滞后校正装置。

要求：相角裕度≥45。

；当系统的输入信号是单位斜坡信号时，稳态误差e ss ≤0.04；取C=100μF 时，确定该串联滞后校正装置的元件数据；绘制出校正后系统和未校正系统的Bode 图及其闭环系统的单位阶跃响应曲线，并进行对比。

实验指导书本门课程是一门综合性实验学科，具有很强的实验性的特点，在学习过程中应特别注意加强实验环节，配合课堂教学的进程，加强理论与实践的结合，以达到学以致用的教学效果。

实验一 数学模型的相互转换一、实验目的1. 学习使用Matlab 进行各类数学变换运算的方法2. 学习使用Matlab 建立控制系统模型及相互转换方法二、实验器材计算机，Matlab 软件三、实验内容1. 已知某系统状态空间表达式为[]0.60.2330.20.4660.0970.23310x x u y x⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦=编程求其脉冲传递函数。

参考程序2. 求传递函数为23223()352s s G s s s s ++=+++的状态空间表达式（可控标准型），并求取状态初值，假设输入输出及其各阶导数的初值为(0)1y =，(0)2y =，(0)3y =，(0)4u =，(0)5u =解：状态空间表达式（可控标准型）为x Ax Buy Cx Du=+=+其中010001253A ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥---⎣⎦，001B ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，[]321C =，0D =状态初值求取123(0)3(0)2(0)(0)y x x x =++[]12323123123(0)3(0)2(0)(0)3(0)2(0)2(0)5(0)3(0)(0)2(0)2(0)(0)(0)y x x x x x x x x u x x x u =++=++---+=---+ 123(0)2(0)3(0)(0)(0)(0)y x x x u u =+++-代入输入输出及其各阶导数初值，得1233(0)2(0)(0)10x x x ++-= 1232(0)2(0)(0)20x x x ---+= 1232(0)3(0)(0)20x x x ++-=解方程，得状态初值1(0)1x =-，2(0)0x =，3(0)4x =。

四、实验步骤1.根据参考程序，验证控制系统模型转换方法2.观察记录输出的结果，与理论计算结果相比较3.自行选则相应的参数，熟悉上述的各指令的运用方法五、实验数据及结果分析记录输出的数据和图表并分析六、总结实验二 连续系统一阶微分方程组的数字仿真二、 实验目的1. 熟悉Matlab 的使用环境，学习Matlab 软件的使用方法和编程方法；2. 掌握以一阶微分方程组形式描述的连续系统的数字仿真方法和步骤。

《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。

控制系统数字仿真与CAD教学大纲课程编号课程名称：控制系统数字仿真与CAD英文名称：Digital Simulation and CAD of Control System学时：32 学分 2适用专业：自控类课程性质：选修先修课程：自动控制、计算机控制、电力拖动自动控制一、课程教学目标通过本课程的学习，使学生认识到控制系统数字仿真在系统设计中的重要性，学习并掌握仿真中的系统建模、数值积分方法、MATLAB编程等基本内容，针对不同的系统编写仿真程序。

为学生的进一步理论研究和实际应用打下一个良好基础。

二、教学内容及其基本要求绪论：控制系统的实验分析方法以及仿真实验的分类与性能比较、系统的组成与分类、数字仿真的基本内容、仿真技术的应用与发展、控制系统CAD与数字仿真软件。

1．控制系统的数学描述控制系统的数学模型表示形式，数字模型的转换，控制系统建模的基本方法。

单变量系统的可控标准型实现，控制系统的数字仿真实现。

常微分方程数值求解的基本概念，数值积分法。

数值算法中为“病态”问题，“病态”系统的仿真方法。

2．MATLAB与SIMULINKMATLAB的操作与使用，简单数学运算，变量与数值显示格式文件管理，帮助功能。

MATLAB的矩阵运算。

二维、三维图形的绘图。

数据处理，矩阵分解，多项式处理，曲线拟合与扦值，数据分析，常微分方程数值解。

流程控制：For循环，while循环，if-else-end结构以及函数。

控制工具箱：系统建模、模型转换和降阶、分析函数、设计函数。

SIMULINK基础：SIMULINK的操作，模型的构造，数值仿真，系统分析。

3．控制系统数字仿真的实现控制系统常见的典型结构形式，典型环节描述，联接矩阵。

面向系统结构图的数字仿真。

环节离散化与非线性系统的数字仿真。

计算机控制系统的数字仿真。

4．控制系统CAD经典控制理论CAD，控制系统固有特性分析，设计方法以及优化设计。

*现代控制理论CAD，线性二次型最优控制器设计，模型参考自适应控制系统设计。

控制系统数字仿真实验指导书最新版控制系统数字仿真实验指导书实验⼀ MATLAB 基本命令的使⽤与程序设计⼀、实验⽬的：1、了解MATLAB 的基本语句结构；2、掌握矩阵的基本运算及多项式运算；3、了解MATLAB 的编程基础，能编写⼀些简单的程序。

⼆、实验内容：1、建⽴⼀个四阶矩阵；取出该矩阵第⼆列和第三⾏的所有元素；取出第1到3⾏，3到4列的所有元素；删除该矩阵的第四⾏元素；删除该矩阵的第三个元素；删除该矩阵的第2⾏的所有元素；将该矩阵增加到五阶矩阵，并将新矩阵转置。

2、已知矩阵a ＝[1,2,3;4,5,6;7 8 0]，b ＝[11,22,33;4,5,6;67,87,21]，求a+b ，a-b ，a*b ，a -1*b ，a/b ，a\b 的值。

3、已知两多项式p1＝4335x x ++，p2＝42362x x x ++，求p1*p2，p1/p2的值，并求当x ＝65时p1的值。

4、⽤M ⽂件编写求1+2+…+100和的程序。

三、实验步骤：1、熟悉相关的命令调⽤格式、功能。

2、编制程序，调试程序3、记录结果，书写实验报告。

程序必须完整⽆缺的写在实验报告上。

四、实验思考1、矩阵运算中点乘与乘运算有什么区别？2、若要求随机输⼊⼀个正数n ，求1+2+…+n 的程序⼜是如何？3、在思考2中，如要求将其编成M 函数，则如何编程？如何调⽤？实验⼆图形⽤户界⾯设计与应⽤⼀、实验⽬的：1、了解MATLAB 中的⼀些基本绘图命令；2、利⽤MATLAB 下的命令制作简单的动画效果。

⼆、实验内容：1、⽤蓝⾊的星线绘制单位正弦波图形，⽤红⾊的虚线绘制单位余弦波图形，并⽤两种⽅法将两个图形在⼀幅图中显⽰。

2、已知9cos846sin 209y x x =++，请⽤紫⾊的圆圈画出该图形，并⾃⾏设定坐标轴的范围。

3、已知y ＝[2,43,67,12,48,98,68,41,32,58,79,10]，请画出该图形。

4、编写⼀不断从左到右以正弦规律跳动⼩球的程序。

《控制系统仿真与CAD》实验指导书适用自动化、测控、电气、电控荷专业电气自动化系自动化教研室2011年2月实验1：M函数的编写1. 实验目的掌握在Matlab环境下编写并运行M函数的操作方法。

2. 实验内容对给定的二阶欠阻尼传递函数，编制一个函数程序，计算阶跃响应的特征参数：超调量б% 、峰值时间Tp、上升时间Tr、过渡过程时间Ts（2%）。

b=7500; a=[1, 34.5, 7500];3. 实验步骤(1) 开机后在Windows状态下，启动Matlab7.1环境；(2) MATLAB的Editor/Debugger窗口来编辑程序；(3) 输入下列源程序：% mp：超调量，Tp：峰值时间，Tr：上升时间，T s：调节时间function [mp,Tp,Tr,Ts]=exp1(num,den)t=0:0.005:1;y=step(num,den,t);plot(t,y);%求mp与TpN=length(t);yss=y(N); %yss:稳态值[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss;Tp=t(i);%求Tryr1=0.1*yss;yr2=0.9*yss;i=1;while y(i)<yr1i=i+1;endt1=t(i);while y(i)<yr2i=i+1;endt2=t(i);Tr=t2-t1;%求Ts：调节时间symbol=0; %symbol：超标标志for i=1:1:Nfor j=1:1:N-iif(abs(y(i+j)-yss)/yss>0.02)symbol=1;endendif symbol==1symbol=0;elsebreak;endendTs=t(i);i=N;while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i);(4) 把源程序以文件形式保存到MATLAB的Work子目录下；(5) 调用编写的函数程序，运行源程序；(6) 打印源程序清单，并将二阶欠阻尼系统性能指标的结果保存。

实验七控制系统仿真及CAD【设计要求】要求采用MATLAB语言，编制.m文件实现，对于给定的题目，要求完成控制器的设计，程序编制，系统调试，性能指标的计算，结果演示以及系统分析等任务。

【报告要求】a) 设计题目的任务及要求；b) 控制器的设计；c) 系统框图及仿真程序；d) 系统性能的计算及分析；e) 调试过程总结、分析及体会。

【实验内容】某化工过程中计算机控制系统如下图所示:(1) 试用环节离散化方法对该系统做仿真研究, 设计PID调节器参数, 使该系统动态性能达到最佳。

（2）试用smith预估控制方法对该系统进行重新设计，并用仿真的方法分析滞后参数对系统动态性能的影响。

PID参数整定程序：T3=10;Kp=0.10;Ti=0.042;Td=0.1;r=1;T0=0;Tf=100;T=0.01;t=0;f=0;h=0.002;e=zeros(3,1);u=zeros(2,1);yout=0;M1=fix(T3/h);M2=T3/h-M1;ylag=zeros(M1+2,1);Y=[0;0];Uk=[0;0];FI=[exp(-h*2);exp(-h*3)];FIM=[(1-exp(-h*2))*0.05;(1-exp(-h*3))/3];FIJ=[h*0.05-(1-exp(-h*2))*0.05*0.5;h/ 3-(1-exp(-h*3))/9];nout=2;N=round((Tf-T0)/T);for k=1:Nfor i=1:T/hUb=Uk;Uk=[u(1);Y(1)];Udot=(Uk-Ub)/h;Y=FI.*Y+FIM.*Uk+FIJ.*Udot;ylag=[Y(nout);ylag(1:M1+1)];y=(1-M2)*ylag(M1+1)+M2*ylag(M1+ 2);endyout=[yout,y];ek=r-y;e=[ek;e(1:2)];a=1+T/Ti+Td/T;b=1+2*Td/T;c=Td/T;uk=u(1)+Kp*(a*e(1)-b*e(2)+c*e(3));f=f+T;t=[t,f];u=[uk;u(1:2)]; endt=T0:T:Tf;plot(t,yout,'r') grid onhold on如果运用史密斯预估进行控制，其原理如下：smith预估控制方法程序：T=0.01;Td=0.1;Ti=0.001;Kp=0.06;T1=1/2;T2=1/3;T3=0.1;T4=10;h=0.002;P=[1 T1 1/6 0;1 T2 1 T3];WIJ=[1 0 1;2 1 1];T0=0;Tf=100;r=1;n=2;N=round((Tf-T0)/T);E=zeros(n+1,1);u=zeros(n,1);a=Kp*(1+T/Ti+Td/T);b=Kp*(1+2*Td/T);c=Kp*Td/T;M1=T4/T;ylag=zeros(M1+1,1);nout=2;A=P(:,1);B=P(:,2);C=P(:,3);D=P(:,4);m=length(WIJ(:,1));W0=zeros(n,1);W=zeros(n,n);for k=1:mif(WIJ(k,2)==0);W0(WIJ(k,1))=WIJ(k, 3);elseW(WIJ(k,1),WIJ(k,2))=WIJ(k,3);end;end;for i=1:nif(A(i)==0);FI(i)=1;FIM(i)=h*C(i)/B(i);FIJ(i)=h*h*C(i)/B(i)/2;FIC(i)=1;FID(i)=0;if(D(i)~=0);FID(i)=D(i)/B(i);elseendelseFI(i)=exp(-h*A(i)/B(i));FIM(i)=(1-FI(i))*C(i)/A(i);FIJ(i)=h*C(i)/A(i)-FIM(i)*B(i)/A(i) ;FIC(i)=1;FID(i)=0;if(D(i)~=0);FIM(i)=(1-FI(i))*D(i)/A(i);FIJ(i)=h*D(i)/A(i)-FIM(i)*B(i)/A(i) ;FIC(i)=C(i)/D(i)-A(i)/B(i);FID(i)=D(i)/B(i);elseendendendY=zeros(n,1);X=Y;Y1=Y;y=0;Uk=zeros(n,1);N=round((Tf-T 0)/T);for i=1:Nfor j=0:T/hUb=Uk;Uk=W*Y+W0*u(1);Udot=(Uk-Ub)/h;Uf=2*Uk-Ub;X=FI'.*X+FIM'.*Uk+FIJ'.*U dot;Y=FIC'.*X+FID'.*Uf;ylag=[Y(nout);ylag(1:M1)];yk=ylag(M1+1);Y1=Y-yk;endE=[r-yk-Y1;E(1:2)];u=u(1)+a*E(1)-b*E(2)+c*E(3);U=[u:u(1)];y=[y;yk];endt=T0:T:Tf;plot(t,y)grid on【实验结果】史密斯预估控制，取得较好的控制效果PID控制取得的控制效果，可以控制但是品质不好本实验是对采样控制系统中常见的有滞后环节的数学模型进行仿真的实现，结果显示对于带滞后的系统来说，相应的输出曲线也滞后相同的时间，并且使得滞后环节对系统的响应也影响较小。