长沙理工大学机械控制工程基础Matlab实验报告

机械工程控制基础MATLAB分析与设计仿真实验报告一、实验目的：1.学习并掌握MATLAB软件的基本使用方法；2.了解机械工程控制的基本概念和理论知识；3.分析并设计机械工程控制系统的仿真模型。

二、实验内容：1.使用MATLAB软件绘制机械工程控制系统的block图；2.使用MATLAB软件进行机械工程控制系统的数学建模和仿真；3.使用MATLAB软件对机械工程控制系统进行性能分析和优化设计。

三、实验步骤：1.打开MATLAB软件，并创建一个新的m文件；2.根据机械工程控制系统的控制原理，绘制系统的block图；3.根据系统的block图，使用MATLAB软件进行数学建模，并编写相应的代码；4.对机械工程控制系统进行仿真，并分析仿真结果；5.根据仿真结果，优化系统参数，并重新进行仿真。

四、实验结果分析：通过对实验步骤的操作，我们得到了机械工程控制系统的仿真结果。

根据仿真结果，我们可以对系统的性能进行分析和评估。

通过与系统要求相比较，可以发现系统存在响应速度较慢、稳态误差较大等问题。

在实验中，我们根据分析结果对系统进行了优化设计，并重新进行了仿真。

优化设计的目标是改善系统的性能，使其更接近于理想的控制效果。

通过对系统的参数进行调整和调节，我们成功地改善了系统的性能。

五、实验总结：通过本次实验，我们学习了MATLAB软件的基本使用方法，并了解了机械工程控制的基本概念和理论知识。

我们通过对机械工程控制系统的仿真，实现了对系统性能的分析和优化设计。

在实验过程中，我们遇到了一些问题，例如如何选择合适的参数和调节控制量等。

通过查阅相关资料和与同学的交流讨论，我们成功地解决了这些问题，同时加深了对机械工程控制的理解。

通过本次实验，我们不仅掌握了MATLAB软件的基本使用方法，还加深了对机械工程控制的理解。

这对我们今后从事相关工作和开展相关研究都具有重要的指导和帮助作用。

试验一数学模型的Matlab 描述一、实验目的①掌握Malab 中数学模型的三种表现形式 ②掌握三种模型之间的转换方法③掌握复杂传递函数的求取方法④了解复杂系统表现形式及建模方法二、实验要求①在Matlab 中实现三种数学模型的描述②实现三种数学模型之间的转换③写出试验报告三、实验内容Matlab 中数学模型主要有三种形式：传递函数分子/分母多项式、传递函数零极点增益模型和状态空间模型。

它们各有特点，有时需要在各种模型之间进行转换。

（1）已知系统传递函数652272)(234+++++=s s s s s s G问题1:在Matlab 中表示出该模型。

问题2：将其转换成零极点增益型。

（2）已知系统的传递函数2)1)(2()(++=s s s s G问题1:在Matlab 中表示出该模型。

问题2：将其转换成状态空间型。

3、已知连续系统∑（A ，B ，C ，D ）的系数矩阵是：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=400140002A ，⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=101B ， []011=C ，]0[=D问题1:在Matlab 中表示出该模型。

问题2：将其转换成分子分母多项式型。

4、用Matlab 表示传递函数为)2)(356)(13()1(5)(2322++++++++=s s s s s s s s s G的系统试验二利用Matlab分析时间响应一、实验目的①掌握impulse函数、step函数和lsim函数的用法②掌握利用三种函数求解系统的时间响应③掌握Matlab中系统时域性能指标的求解方法④了解simulink中系统动态模型的建立方法二、实验要求①用impulse、step和lsim函数对线形连续系统的时间响应进行仿真计算。

②在对系统进行单位阶跃响应的基础上，求取系统时域性能指标。

③写出试验报告。

三、实验内容（1）impulse函数、step函数和lsim函数的说明Impulse函数step函数lsim 函数（2）求系统二阶系统44.24)()()(2++==s s s R s C s φ的单位脉冲响应、单位阶跃响应、正弦（)2sin(t u π=）响应。

实验一初识 matlab一、实验目的1．熟悉MATLAB开发环境；2．了解MATLAB 的强大功能、使用范围与特点，正确理解并掌握MATLAB 的基本知识、基本操作，为后续实验的顺利进行打好基础二、实验要求1.掌握matlab的运行环境2.掌握matlab的矩阵和数组的运算3.掌握matlab数值运算和程序设计4.学会matlab语言绘图三、实验设备Matlab7.1，计算机四、实验内容和步骤1.1基本规则1.1.9 常用命令：clc 清屏；clear 清除变量；help 帮助1.2数字运算MATLAB可以像计算器一样直接进行数学运算。

在MATLAB命令窗口内输入：80*0.8+16*12.2ans =259.20001.3矩阵的运算（1）简单矩阵的输入矩阵不需维数说明和类型定义，存储单元完全由计算机自动分配。

输入矩阵最简单的方法是输入矩阵的元素表，每个元素之间用空格或逗号隔开，用“；”号作为元素表中每一行的结束符，并用[ ]将元素表括起来。

例如，输入语句：a=[1 2 3；4 5 6；7 8 9]则结果为：a = 1 2 34 5 67 8 9 （2）向量的产生（3）矩阵操作1、转置：若a=[1 2 3;4 5 6]b=a'得b =1 42 53 62、求逆(inverse)使用函数inv(a),例如：a=[1 2 0; 2 5 -1; 4 10 -1]inv(a)ans =5 2 -2-2 -1 10 -2 13、矩阵的加、减、乘。

两个同维矩阵,才能进行加减运算c= a+b; d=a-b;a的列数等于b的行数，则e=a*b;例如：a=[1 3 5 7], b=[2 4 6 8] c=[1 2 3 4]则a.*bans =2 12 30 56a*c’ans=501.4M A T L A B程序的流程MATLAB通常工作在交互状态下，当键入一条命令后，MATLAB系统立即执行该命令并在屏幕上显示结果；MATLAB系统也可以执行储存在文件中的命令序列。

实验二《机械工程控制基础》Matlab仿真实验报告单实验二《机械工程控制基础》Matlab仿真实验报告单红河学院工学院实验报告单《机械工程控制基础》Matlab仿真实验报告单课程名称：机械工程控制基础姓名：徐海洋日期：201*-11-26成绩：年级专业：07机械学号：201*03050665实验场地：文514实验序号：实验二实验名称：二阶线性系统时间响应与时域性能指标的Matlab仿真实验一、实验内容。

1、二阶线性系统仿真。

2、二阶线性系统4s2s436s12s36216s4s162单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位正弦输入响应的Matlab2单位阶跃响应的时域性能指标。

3、二阶线性系统仿真。

，当01274,0.1,0..时，单位阶跃响应的Matlab二、实验目的。

三、相关Matlab仿真程序。

程序一：>>clearnum=[16];den=[1416];Gs=tf(num,den)t=0:0.1:20;figure(1);impulse(Gs,t)xlabel("时间")ylabel("输出")title("二阶系统单位脉冲响应")figure(2);step(Gs,t)xlabel("时间")ylabel("输出") title("二阶系统单位阶跃响应")figure(3);r=sin(t);lsim(Gs,r,t)xlabel("时间")ylabel("输出")title("二阶系统单位正弦输入响应")Transferfunction:16--------------s^2+4s+16程序二：>>clearnum=[4];den=[124];disp("二阶系统传递函数")Gs=tf(num,den)disp("无阻尼固有频率与阻尼比")[WnXita]=damp(Gs)Wn=Wn(1)Xita=Xita(1)disp("二阶系统性能指标如下")tr=(pi-atan(sqrt(1-Xita^2)/Xita))/Wn/sqrt(1-Xita^2)tp=pi/Wn/sqrt(1-Xita^2)ts=3.5/Xita/WnMp=exp(-pi*Xita/sqrt(1-Xita^2))*100二阶系统传递函数Transferfunction:4-------------s^2+2s+4无阻尼固有频率与阻尼比Wn=2.00002.0000Xita=0.50000.50Wn=2.0000Xita=0.5000二阶系统性能指标如下tr=1.2092tp=1.8138ts=3.5000Mp=16.3034程序三：clearclcnum=1;Wn=6;xita1=0.1;den1=[1/Wn^22*xita1/Wn1];xita2=0.2;den2= [1/Wn^22*xita2/Wn1];xita3=0.4;den3=[1/Wn^22*xita3/Wn1] ;xita4=0.7;den4=[1/Wn^22*xita4/Wn1];xita5=1.0;den5=[1/ Wn^22*xita5/Wn1];xita6=2.0;den6=[1/Wn^22*xita6/Wn1];t= 0:0.05:4;[y1xt]=step(num,den1,t);[y2xt]=step(num,den2,t);[y 3xt]=step(num,den3,t);[y4xt]=step(num,den4,t);[y5xt]=s tep(num,den5,t);[y6xt]=step(num,den6,t);figure(1)plot(t,y1,"b-",t,y2,"r--",t,y3,"k",t,y4,"g:",t,y5,"m-.",t,y6,"b.");xlabel("t(s)"),ylabel("y(t)");title("阻尼比xita=0.1,0.2,0.4,0.7,1.0,2.0")legend("xita1=0.1","xita2=0.2","xita3=0.4","xita4=0.7","xita5=1","xita6=2")四、相关Matlab仿真图形。

实验一：Mat lab 仿真实验1.1直流电机的阶跃响应给直流电机一个阶跃，直流电机的传递函数如下:画出阶跃响应如下:Step Resp onse零极点分布:POle-ZeroMap0.8 0.60.4-0.4 -0.6 -0.8g m-0.2 -1-10000-9000 -8000 -7000 -6000 ReaWi@ -4000 -3000 -2000 -1000s A 0.2G(s)=50(0.1s 1)(1 10*s 1)分析：直流电机的传递函数方框图如下:所以传递函数可以写成:n (s) 1/C EU a (S )FaS 2 T m S T式中，T mJ^,T a =L分别为电动机的机电时间常数与电磁时间常数。

一般 C M C ER相差不大。

而试验中的传递函数中，二者相差太大，以至于低频时:（低频时）0.1s 1所以对阶跃的响应近似为:x °(t) = 50(1 - e 处)G(s)二 _______ 50(0.1s 1)(1 10，s 1)直流电机传递函数方块图1.2直流电机的速度闭环控制如图1-2,用测速发电机检测直流电机转速，用控制器Gc(s)控制加到电机电枢上 的电压。

图1-2氏流电机速度闭环控1.2.1假设Gc(s)=100,用matlab 画出控制系统开环Bode 图，计算增益剪切频率、相位 裕量、相位剪切频率、增益裕量Bode Diagram5d^MTno0050O■ ■90sa&—80 ^17021、10幅值裕量Gm1 2 310 10 10Freque ncy (rad/sec)=11.1214410510610相位裕量Pm = 48.1370幅值裕量对应的频率值(相位剪切) wcg =3.1797e+003相位裕量对应的频率值(幅值剪切)wcp =784.3434从理论上，若G c(s) =100，那么开环传递函数为：G(s)=100-4(0.1s 1)(0.001s 1)(1 10 s 1)1001 (0.1 )2 J (0.001 )2 1 (1 10A )21 1 1.G(j H 一[tan (0.1 ) tan (0.001 ■) tan (0.0001 ■)]令G(j%)|=1，假设J1+(0.佃J托0.1灼，J+(1汉10鼻国)2屯1 得：c=786.15 继而，.G(j c)二-[tan d(0.1 c) tan'(0.001 c) tan'(0.0001 c)] = 48.06 1.2.2 通过分析bode图，选择合适的K p作为G c(s)，使得闭环超调量最小。

闽 江 学 院 电 子 系 实 验 报 告学生姓名：班级：学 号：课程：MATLAB 程序设计一、 实验题目：MATLAB 操作基础 二、 实验地点：实验楼A210 实验目的：1、熟悉MATLAB 的操作环境及基本操作方法。

2、掌握MATLAB 的搜索路径及其设置方法。

3、熟悉MATLAB 帮助信息的查阅方法。

三、 实验内容：1、先建立自己的工作目录，再将自己的工作目录设置到MATLAB 搜索路径下，再试验用help 命令能否查询到自己的工作目录。

2、在MATLAB 环境下验证例1-1至1-4，并完成以下题目： （1）绘制右图所示图形 （2）求383、利用MATLAB 的帮助功能分别查询inv ，plot 、max 、round 等函数的功能及用法。

4、在工作空间建立一个变量a ,同时在当前目录下建立一个M 文件：a.m ，试在命令窗口输入a ，观察结果，并解释原因。

四、 实验环境（使用的软硬件）： MATLAB 7.0 五、 实验结果：实验程序： （1）求38。

程序： x=8;plot(x, x^(1/3));0.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81得到的结果： ans= 2（2）绘制图像 程序：x=[0:0.001:1]；plot(x, sin(2*pi*x),x, 2*x-1,x,0); 得到结果如下图：（3）查询plot 、inv 、round 、max 等函数的功能及用法 分别输入：输入：help plot 得到：PLOT Linear plot.PLOT(X,Y) plots vector Y versus vector X. If X or Y is a matrix, then the vector is plotted versus the rows or columns of the matrix, whichever line up. If X is a scalar and Y is a vector, length(Y) disconnected points are plotted.PLOT(Y) plots the columns of Y versus their index.If Y is complex, PLOT(Y) is equivalent to PLOT(real(Y),imag(Y)). In all other uses of PLOT, the imaginary part is ignored.Various line types, plot symbols and colors may be obtained with0.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81PLOT(X,Y,S) where S is a character string made from one elementfrom any or all the following 3 columns:b blue . point - solidg green o circle : dottedr red x x-mark -. dashdot c cyan + plus -- dashed m magenta * stary yellow s squarek black d diamondv triangle (down)^ triangle (up)< triangle (left)> triangle (right)p pentagramh hexagramFor example, PLOT(X,Y,'c+:') plots a cyan dotted line with a plus at each data point; PLOT(X,Y,'bd') plots blue diamond at each data point but does not draw any line.PLOT(X1,Y1,S1,X2,Y2,S2,X3,Y3,S3,...) combines the plots defined by the (X,Y,S) triples, where the X's and Y's are vectors or matrices and the S's are strings.For example, PLOT(X,Y,'y-',X,Y,'go') plots the data twice, with a solid yellow line interpolating green circles at the data points.The PLOT command, if no color is specified, makes automatic use of the colors specified by the axes ColorOrder property. The default ColorOrder is listed in the table above for color systems where the default is blue for one line, and for multiple lines, to cyclethrough the first six colors in the table. For monochrome systems, PLOT cycles over the axes LineStyleOrder property.PLOT returns a column vector of handles to LINE objects, onehandle per line.The X,Y pairs, or X,Y,S triples, can be followed byparameteralue pairs to specify additional propertiesof the lines.输入：help inv得到：INV Matrix inverse.INV(X) is the inverse of the square matrix X.A warning message is printed if X is badly scaled ornearly singular.输入：help round得到：ROUND Round towards nearest integer.ROUND(X) rounds the elements of X to the nearest integers.输入：help max得到：MAX Largest component.For vectors, MAX(X) is the largest element in X. For matrices,MAX(X) is a row vector containing the maximum element from eachcolumn. For N-D arrays, MAX(X) operates along the firstnon-singleton dimension.[Y,I] = MAX(X) returns the indices of the maximum values in vector I. If the values along the first non-singleton dimension contain morethan one maximal element, the index of the first one is returned.MAX(X,Y) returns an array the same size as X and Y with thelargest elements taken from X or Y. Either one can be a scalar.[Y,I] = MAX(X,[],DIM) operates along the dimension DIM.When complex, the magnitude MAX(ABS(X)) is used, and the angleANGLE(X) is ignored. NaN's are ignored when computing the maximum.Example: If X = [2 8 4 then max(X,[],1) is [7 8 9],7 3 9]max(X,[],2) is [8 and max(X,5) is [5 8 59], 7 5 9].inv 求矩阵的逆plot 画图max 求最大值round 向0取整六、思考练习：1、help命令和look for命令有什么区别？lookfor 关键词在所有M文件中找“关键词”，比如：lookfor inv（即寻找关键词“inv”）其实就和我们平时用CTRL+F来查找“关键词”是一样的而help是显示matlab内置的帮助信息用法：help 命令，比如 help inv ，作用就是调用inv这个命令的帮助2、什么是工作空间？假定有变量A与B存在于工作空间中，如何用命令保存这两个变量？下次重新进入MATLAB后，又如何装载这两个变量？①工作空间：工作空间是由系统所提供的特殊变量和用户自己使用过程生成的所有变量组成的一个概念上的空间；②保存变量：保存当前工作空间，比如要保存的路径为f:\matlab\work\matlab.mat,输入命令：save f:\matlab\work\matlab.mat ；③载入变量：输入命令：load f:\matlab\work\matlab.mat 。

MATLAB 控制工程理论基础实验报告实验一基于MATLAB 的系统被控对象的建立与转换【实验目的】1．了解MATLAB 软件的基本特点和功能；2．掌握线性系统被控对象传递函数数学模型在MATLAB 环境下的表示方法及转换；3．掌握多环节串联、并联、反馈连接时整体传递函数的求取方法； 4． 掌握在SIMULINK 环境下系统结构图的形成方法及整体传递函数的求取方法；5．了解在MATLAB 环境下求取系统的输出时域表达式的方法。

【实验原理】一、被控对象模型的建立在线性系统理论中，一般常用的描述系统的数学模型形式有： （1）传递函数模型——有理多项式分式表达式 （2）传递函数模型——零极点增益表达式 （3）状态空间模型（系统的内部模型）这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。

1、传递函数模型——有理多项式分式表达式 设系统的传递函数模型为1110111......)()()(a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G n n n n m m m m ++++++++==----对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a n 不等于零。

这时系统在MATLAB 中可以方便地由分子和分母各项系数构成的两个向量唯一地确定，这两个向量常用num 和den 表示。

num=[b m ,b m-1,…,b 1,b 0] den=[a n ,a n-1,…,a 1,a 0] 二、不同形式模型之间的相互转换不同形式之间模型转换的函数：（1）tf2zp ：多项式传递函数模型转换为零极点增益模型。

格式为：[z,p,k]=tf2zp(num,den)（2）zp2tf ：零极点增益模型转换为多项式传递函数模型。

格式为：[num,den]=zp2tf(z,p,k)（3）ss2tf ：状态空间模型转换为多项式传递函数模型。

格式为：[num,den]=ss2tf(a,b,c,d)（4）tf2ss: 多项式传递函数模型转换为状态空间模型。

《机械工程控制基础》MATLAB分析与设计仿真实验报告《机械工程控制基础》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014）一、仿真实验内容及要求1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MA TLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。

2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。

2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5；∙ 利用MA TLAB 绘制教材第四章习题4-5；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。

3）第五章 线性系统的频域分析法∙ 利用MA TLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正∙ 利用MA TLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；∙ 利用MA TLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD 控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。

《控制工程基础》学号：姓名：机械工程系系统时间响应分析实验课时数：2学时实验性质：设计性实验实验室名称：数字化实验室（机械工程系）一、实验项目设计内容及要求1.实验目的本实验的内容牵涉到教材的第3、4、5章的内容。

本实验的主要目的是通过试验，能够使学生进一步理解和掌握系统时间响应分析的相关知识，同时也了解频率响应的特点及系统稳定性的充要条件。

2.实验内容完成一阶、二阶和三阶系统在单位脉冲和单位阶跃输入信号以及正弦信号作用下的响应，求取二阶系统的性能指标，记录试验结果并对此进行分析。

3.实验要求系统时间响应分析试验要求学生用MATLAB软件的相应功能，编程实现一阶、二阶和三阶系统在几种典型输入信号（包括单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡信号和正弦信号）作用下的响应，记录结果并进行分析处理：对一阶和二阶系统，要求用试验结果来分析系统特征参数对系统时间响应的影响；对二阶系统和三阶系统的相同输入信号对应的响应进行比较，得出结论。

4.实验条件利用数字化实验室的计算机，根据MATLAB软件的功能进行简单的编程来进行试验。

二、具体要求及实验过程1.系统的传递函数及其MATLAB 表达 (1)一阶系统 传递函数为：1)(+=Ts Ks G 传递函数的MATLAB 表达： num=[k]；den=[T,1]；G(s)=tf(num,den) (2)二阶系统 传递函数为：2222)(nn nw s w s w s G ++=ξ传递函数的MATLAB 表达： num=[2n w ]；den=[1，n w ξ2，2n w ]；G(s)=tf(num,den)（3）任意的高阶系统传递函数为：n n n n mm m m a s a s a s a b s b s b s b s G ++++++++=----11101110)( 传递函数的MATLAB 表达：num=[m m b b b b ,,,110- ]；den=[n n a a a a ,,,110- ]；G(s)=tf(num,den) 若传递函数表示为：)())(()())(()(1010n m p s p s p s z s z s z s Ks G ------=则传递函数的MATLAB 表达：z=[m z z z ,,,10 ]；p=[n p p p ,,,10 ]；K=[K]；G(s)=zpk(z,p,k) 2.各种时间输入信号响应的表达（1）单位脉冲信号响应：[y,x]=impulse[sys,t] （2）单位阶跃信号响应：[y,x]=step[sys,t] （3）任意输入信号响应：[y,x]=lsim[sys,u,t]其中，y 为输出响应，x 为状态响应（可选）；sys 为建立的模型；t 为仿真时间区段（可选）实验方案设计可参考教材相关内容，相应的M程序可参考教材（杨叔子主编的《机械工程控制基础》第五版）提供的程序，在试验指导教师的辅导下掌握M 程序的内容和格式要求，并了解M程序在MATLAB软件中的加载和执行过程。