下载文档原格式
控制理论实验报告MATLAB仿真实验实验报告课程名称:控制理论(二)讲师:林峰结果:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _实验名称:MATLAB仿真实验类型:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _同一组学生的姓名:________一、实验的目的和要求(要求)二.实验内容和原则(要求)三.主要仪器和设备(必需)四.操作方法和实验步骤五、实验数据的记录和处理六.实验结果和分析(必需)7.控制系统时域分析实验9的探讨与体会首先，实验的目的:1.利用计算机辅助分析，掌握系统的时域分析方法。
2.熟悉Simulink仿真环境。
二、实验原理和方法:系统仿真本质上是系统模型的求解。
对于控制系统，一般模型可以转化为微分方程或差分方程。
因此，在仿真过程中，通过一些数值算法从初始状态开始逐步计算系统响应。
最后，画出系统的响应曲线，分析系统性能。
控制系统最常用的时域分析方法是当输入信号为单位阶跃和单位脉冲函数时，获得系统的输出响应，分别称为单位阶跃响应和单位脉冲响应。
在MATLAB中，提供了单位阶跃响应函数step、单位冲激响应函数impulse、零输入响应函数initial等来获得连续系统。
二、实验内容:二阶系统的状态方程模型是——控制理论(二)指导者:林峰结果:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _实验名称:MATLAB仿真实验类型:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _同一组学生的姓名:________一、实验的目的和要求(要求)二.实验内容和原则(要求)三.主要仪器和设备(必需)四.操作方法和实验步骤五、实验数据的记录和处理六.实验结果和分析(必需)7.控制系统时域分析实验9的探讨与体会首先，实验的目的:1.利用计算机辅助分析，掌握系统的时域分析方法。
2.熟悉Simulink仿真环境。
实验一 MATLAB及仿真实验（控制系统的时域分析）一、实验目的学习利用MATLAB进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性；二、预习要点1、系统的典型响应有哪些？2、如何判断系统稳定性？3、系统的动态性能指标有哪些？三、实验方法（一）四种典型响应1、阶跃响应：阶跃响应常用格式：1、；其中可以为连续系统，也可为离散系统。
2、；表示时间范围0---Tn。
3、；表示时间范围向量T指定。
4、；可详细了解某段时间的输入、输出情况。
2、脉冲响应：脉冲函数在数学上的精确定义：其拉氏变换为：所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。
脉冲响应函数常用格式：①；②③（二）分析系统稳定性有以下三种方法：1、利用pzmap绘制连续系统的零极点图；2、 利用tf2zp 求出系统零极点；3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 （三） 系统的动态特性分析Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.四、实验内容 (一) 稳定性1． 系统传函为()27243645232345234+++++++++=s s s s s s s s s s G ，试判断其稳定性2． 用Matlab 求出的极点。
%Matlab 计算程序num=[3 2 5 4 6];den=[1 3 4 2 7 2];G=tf(num,den);pzmap(G);p=roots(den) 运行结果： p =-1.7680 + 1.2673i -1.7680 - 1.2673i 0.4176 + 1.1130i 0.4176 - 1.1130i -0.2991P ole-Zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i s-2-1.5-1-0.500.5-1.5-1-0.50.511.5图1-1 零极点分布图由计算结果可知，该系统的2个极点具有正实部，故系统不稳定。
实验一MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析）一、实验目的学习利用MATLAB进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性；二、预习要点1、系统的典型响应有哪些？2、如何判断系统稳定性？3、系统的动态性能指标有哪些？三、实验方法（一）四种典型响应1、阶跃响应：阶跃响应常用格式：1 、step ( sys ) ；其中 sys 可以为连续系统，也可为离散系统。
2 、step ( sys ,Tn ) ；表示时间范围0---Tn 。
3 、step ( sys ,T ) ；表示时间范围向量T 指定。
4 、Y step ( sys , T ) ；可详细了解某段时间的输入、输出情况。
2、脉冲响应：f (x)dx 1脉冲函数在数学上的精确定义：f ( x) 0, t 0f ( s) 1其拉氏变换为：Y ( s) G (s) f (s) G ( s)所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。
脉冲响应函数常用格式：①impulse ( sys ) ；impulse ( sys , Tn );②impulse ( sys , T );③Y impulse ( sys ,T )（二）分析系统稳定性有以下三种方法：1、利用 pzmap绘制连续系统的零极点图；2、利用 tf2zp 求出系统零极点；3、利用 roots 求分母多项式的根来确定系统的极点（三）系统的动态特性分析Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.四、实验内容(一) 稳定性1．系统传函为4 3 23s 2s 5s 4s 6G s ，试判断其稳定性5 4 3 2s 3s 4 s 2s 7s 22．用 Matlab 求出2s 2 s 2G 的极点。
( s)4 3 2s 7 s 3s 5 s 2%Matlab 计算程序num=[3 2 5 4 6];den=[1 3 4 2 7 2];G=tf(num,den);pzmap(G);p=roots(den)运行结果：p =-1.7680 + 1.2673i-1.7680 - 1.2673i0.4176 + 1.1130i0.4176 - 1.1130i-0.2991Pole-Zero Map 1.510.5sixAyranigamI-0.5-1-1.5-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5Real Axis图 1-1 零极点分布图由计算结果可知，该系统的 2 个极点具有正实部，故系统不稳定。
实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析）一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性；二、实验容(一) 稳定性1． 系统传函为()27243645232345234+++++++++=s s s s s s s s s s G ，试判断其稳定性num1=[0 3 2 5 4 6];den1=[1 3 4 2 7 2];sys1=tf(num1,den1);figure(1);hold on[gm,pm,wcp,wcg]=margin(sys1);margin(sys1);title('对数频率特性图');xlabel('频率rad/sec');ylabel('Gain dB');2． 用Matlab 求出253722)(2342++++++=s s s s s s s G 的极点。
a=[0 0 1 2 2];b=[1 7 3 5 2];[z,p,k]=tf2zpk(a,b) ;（二）阶跃响应1. 二阶系统()102102++=s s s G1）键入程序，观察并记录单位阶跃响应曲线num1=[10];den1=[1 2 10];step(num1,den1);grid on ;2）计算系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率，并记录 wn=sqrt(10);%自然振荡频率zunibi=2/wn;%阻尼比syms s ;S=solve(s^2+2*s+10);%求闭环根3）修改参数，分别实现1=ζ和2=ζ的响应曲线，并记录 n0=10;d0=[1 2 10]; step(n0,d0);%原响应曲线hold on ;n1=10;d1=[1 6.32 10];step(n1,d1);n2=10;d2=[1 12.64 10];step(n2,d2);4）修改参数，分别写出程序实现0121w w n =和022w w n =的响应曲线，并记录 n0=10;d0=[1 2 10];step(n0,d0);%原响应曲线hold on ;n1=2.5;d1=[1 1 2.5];step(n1,d1);n2=40;d2=[1 4 40];step(n2,d2);2. 作出以下系统的阶跃响应，并分析结果 （1）()10210221+++=s s s s G （2）()102105.0222++++=s s s s s G （3）()1025.0222+++=s s s s s G （4）()10222++=s s ss Gn0=[2 10];d0=[1 2 10];step(n0,d0);hold on ;n1=[1 0.5 10];d1=[1 2 10];step(n1,d1);hold on ;n2=[1 0.5 0];d2=[1 2 10];step(n2,d2);hold on ;n3=[1 0];d3=[1 2 10]; step(n3,d3);3. 25425)()(2++=s s s R s C 求该系统单位阶跃响应曲线，并在所得图形上加网格线和标题 num0=[25];den0=[1 4 25]; step(num0,den0); grid on ;xlabel('X'); ylabel('Y ');title('单位阶跃曲线');（三）系统动态特性分析 用Matlab 求二阶系统12012120)(2++=s s s G 和01.0002.001.0)(2++=s s s G 的峰值时间p t ，上升时间r t ，调整时间s t ，超调量%σ。
实验一典型环节的 MATLAB 仿真一、实验目的1．熟悉 MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理1．比例环节的传递函数为Z 2R22 R1 100K , R2200KG( s)R1Z1其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 1 所示。
图 1 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形2．惯性环节的传递函数为R2Z2R12 G ( s)R2C1 1R1 100K , R2 200K , C1 1ufZ10.2s 1其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图 2 所示。
图 2 惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形3．积分环节 (I) 的传递函数为Z211 G(s)R1C1s R1 100K ,C1 1ufZ10.1s其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图3所示。
图 3积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形4．微分环节 (D) 的传递函数为G( s)Z 2R1C1 s s R1 100K, C110uf C2C1 0.01uf Z1其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 4所示。
图 4 微分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形5．比例 +微分环节（ PD）的传递函数为G( s)Z 2R2(R1C1 s1)(0.1s1)Z1R1R1 R2100K , C110uf C2C10.01uf 其对应的模拟电路及 SIMULINK图形如图 5 所示。
实验报告6．比例 +积分环节（ PI）的传递函数为R21(1 1)R1 R2 100K , C1 10ufG( s)Z2C1sZ1R1s其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图 6 所示。
图 6 比例 +积分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲三、实验内容按下列各典型环节的传递函数，建立相应的 SIMULINK 仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。
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。
兰州理工大学《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告学院：电气工程与信息工程学院专业班级： 13级自动化3班姓名：学号：时间： 2015年12月Step ResponseTime (seconds)A m p l i t u d e1234567891000.511.5System: sys1Rise time (seconds): 1.17System: sys1P eak amplitude: 1.41Overshoot (%): 40.6At time (seconds): 2.86System: sys1Final value: 1第三章 线性系统的时域分析法一、教材第三章习题3.5设单位反馈系统的开环传递函数为G(s)=0.41(0.6)s s s ++(1)试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。
(2)忽略闭环零点的系统在单位阶跃输入下的动态性能。
(3)对(1) 和(2)的动态性能进行比较并分析仿真结果。
(1)A :程序如下。
B :系统响应曲线如下图。
Step Response Time (seconds)A m p l i t u d e01234567891000.20.40.60.811.21.4System: sys1Final value: 1System: sys1Settling time (seconds): 8.08System: sys1P eak amplitude: 1.16Overshoot (%): 16.3At time (seconds): 3.63System: sys1Rise time (seconds): 1.64（2）A :程序如下。
B :系统响应曲线如下图。
(3) A :程序如下。
B 响应曲线如下图。
阶跃响应t (sec)c (t )0123456789100.20.40.60.811.21.4System: sysRise Time (sec): 1.46System: sys1Rise Time (sec): 1.64System: sys1P eak amplitude: 1.16Overshoot (%): 16.3At time (sec): 3.63System: sys P eak amplitude: 1.18Overshoot (%): 18At time (sec): 3.16System: sys1Final Value: 1System: sys1Settling Time (sec): 8.08System: sysSettling Time (sec): 7.74120,0.1ττ==120.1,0ττ==分析：忽略闭环零点时，系统的峰值时间，调节时间，上升时间均为增大的，而超调量减小。
实验一 典型环节的MATLAB 仿真 一、实验目的1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验内容① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ；Simulink 图形实现：示波器显示结果：② 惯性环节11)(1+=s s G 和15.01)(2+=s s GSimulink 图形实现：示波器显示结果：③ 积分环节s s G 1)(1Simulink 图形实现：示波器显示结果：④ 微分环节s s G )(1Simulink 图形实现：波器显示结果：⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G1）、G1（s ）=s+2Simulink 图形实现：示波器显示结果：2）、G2（s）=s+1 Simulink图形实现：示波器显示结果：⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+=1）、G1（1）=1+1/sSimulink 图形实现：示波器显示结果：2）G2（s）=1+1/2s Simulink图形实现：示波器显示结果：三、心得体会通过这次实验我学到了很多，对课本内容加深了理解，熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法，加深对各典型环节响应曲线的理解，这为对课程的学习打下了一定基础。
实验二线性系统时域响应分析一、实验目的1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。
2．通过响应曲线观测特征参量ζ和nω对二阶系统性能的影响。
3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。
二、实验内容1．观察函数step( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为243237()4641s s G s s s s s ++=++++绘制出系统的阶跃响应曲线？2．对典型二阶系统222()2n n n G s s s ωζωω=++1）分别绘出2(/)n rad s ω=，ζ分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响，并计算ζ=0.25时的时域性能指标,,,,p r p s ss t t t e σ。
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告实验报告：MATLAB与控制系统仿真引言在现代控制工程领域中，仿真是一种重要的评估和调试工具。
通过仿真技术，可以更加准确地分析和预测控制系统的行为和性能，从而优化系统设计和改进控制策略。
MATLAB是一种强大的数值计算软件，广泛应用于控制系统仿真。
实验目的本实验旨在掌握MATLAB在控制系统仿真中的应用，通过实践了解控制系统的建模与仿真方法，并分析系统的稳定性和性能指标。
实验内容1.建立系统模型首先，根据控制系统的实际情况，建立系统的数学模型。
通常，控制系统可以利用线性方程或差分方程进行建模。
本次实验以一个二阶控制系统为例，其传递函数为：G(s) = K / [s^2 + 2ζω_ns + ω_n^2]，其中，K表示放大比例，ζ表示阻尼比，ω_n表示自然频率。
2.进行系统仿真利用MATLAB软件，通过编写代码实现控制系统的仿真。
可以利用MATLAB提供的函数来定义传递函数，并通过调整参数来模拟不同的系统行为。
例如，可以利用step函数绘制控制系统的阶跃响应图像，或利用impulse函数绘制脉冲响应图像。
3.分析系统的稳定性与性能在仿真过程中，可以通过调整控制系统的参数来分析系统的稳定性和性能。
例如，可以改变放大比例K来观察系统的超调量和调整时间的变化。
通过观察控制系统的响应曲线，可以判断系统的稳定性，并计算出性能指标，如超调量、调整时间和稳态误差等。
实验结果与分析通过MATLAB的仿真，我们得到了控制系统的阶跃响应图像和脉冲响应图像。
通过观察阶跃响应曲线，我们可以得到控制系统的超调量和调整时间。
通过改变放大比例K的值，我们可以观察到超调量的变化趋势。
同时，通过观察脉冲响应曲线，我们还可以得到控制系统的稳态误差，并判断系统的稳定性。
根据实验结果分析，我们可以得出以下结论：1.控制系统的超调量随着放大比例K的增大而增大，但当K超过一定值后，超调量开始减小。
2.控制系统的调整时间随着放大比例K的增大而减小，即系统的响应速度加快。
自控实验报告实验人：实验目的：1.熟悉MATLAB函数指令和SimuLink仿真环境；2.掌握控制系统建模与仿真的基本方法。
实验系统：个人计算机及MATLAB/SimuLink实验内容：第一题代码：clear;clc;num0=zeros(6);num0=[2 4 6 8 10 12];z=[];for i=1:6k=(num0(i))^2;p=[0 -2*0.5*num0(i)];sys1=zpk(z,p,k);sys=feedback(sys1,1);step(sys);hold onendgrid on绘制曲线：自然振荡频率变化的影响：自然振荡频率越大，振荡过程衰减的越快，稳定时间越短。
第二题：代码：clear;clc;k1=-4.2;%-4.2num=[2 -6.4 6];den=[1 k1 3.8];[z,p,k]=tf2zp(num,den);sys=zpk(z,p,k);impulse(sys);grid on绘制曲线k=4.2K=-4.2比较：第三题：代码：clear;clc;k=147.3;z=[];p=[(-10-sqrt(-44))/2,(-10+sqrt(-44))/2,(-2-sqrt(-16))/2,(-2+sqrt(-16))/2];sys=zpk(z,p,k);step(sys);grid onhold onclear;k=147.3;z=-1.5;p=[(-10-sqrt(-44))/2,(-10+sqrt(-44))/2,(-2-sqrt(-16))/2,(-2+sqrt(-16))/2,-1.7];sys=zpk(z,p,k);step(sys);grid on绘制图像：第四题：第五题：代码：clear;clc;s=tf('s');G1=1/s;G2=(s+1)/(0.2*s^2+s); H=1;Gc=feedback(G2*G1,H); pzmap(Gc);绘制图像：稳态误差为：ess=2第六问：第七问：（1，2题中选第1题）代码：clear;clc;s=tf('s');s1=tf(2,[30 1]);[num,den]=pade(10,2);s2=tf(num,den);Gs=s1*s2;%PKp1=1.5;Td1=0;N=10;Gc1=Kp1*(1+Td1*s/((Td1/N)*s+1));%PIKp2=1.35;Ti1=33;Td2=0;N=10;Gc2=Kp2*(1+1/Ti1/s+Td2*s/((Td2/N)*s+1)); %PIDKp=1.8;Ti=20;Td=5;N=10;Gc3=Kp*(1+1/Ti/s+Td*s/((Td/N)*s+1));%control systemsys1=Gc1*Gs;sys1new=feedback(zpk(sys1),1); step(sys1new);hold onsys2=Gc2*Gs;sys2new=feedback(zpk(sys2),1); step(sys2new);hold onsys3=Gc3*Gs;sys3new=feedback(zpk(sys3),1); step(sys3new);hold ongrid on绘制图像：第八问：（3，4题中选第题）。
