《自动控制原理》控制系统的simulink仿真实验一

中国地质大学江城学院《自动控制原理》仿真实验报告姓名吴丽芳班级数控（2）班学号2520110228指导教师祁锋2013年12月9 日目录实验一 MATLAB软件的安装与认知实验二使用软件进行数值运算和绘图实验三采用SIMULINK仿真模块进行系统性能分析实验一 MATLAB软件的认识一、实验目的MATLAB软件是具有数值分析、矩阵运算、复杂的信息处理和完美的图形显示等多种功能的软件包，它具有许多专门用途的工具箱，进一步扩展了MATLAB 的应用领域，使其在自动控制系统的分析和设计方面获得广泛的应用。

1、熟悉启动和退出MATLAB软件的方法；2、熟悉MATLAB软件的运行环境；3、熟悉MATLAB软件的基本操作；4、掌握建立矩阵的方法；5、掌握熟悉MATLAB软件各种表达式的书写规则以及常用函数的使用；6、能够进行基本的数组、矩阵运算。

二、实验内容熟悉MATLAB软件的各个工具箱、指令及常用工具，掌握数值的表示方法、运算符的使用规则及运算表达式的写法。

三、分析讨论题1、MATLAB软件有哪些常用指令？有哪些专用工具箱？help elfun %列出所有基本函数。

lookfor image 查找有关图像的函数和命令。

几个常用的通用命令。

quit 关闭MATLABexit 关闭MATLABclc 清除MATLAB命令窗口中的所有显示内容clear 清除工作空间中保存的所有变量Matlab Main Toolbox——matlab主工具箱Control System Toolbox——控制系统工具箱Communication Toolbox——通讯工具箱Financial Toolbox——财政金融工具箱System Identification Toolbox——系统辨识工具箱Fuzzy Logic Toolbox——模糊逻辑工具箱Neural Network Toolbox——神经网络工具箱Optimization Toolbox——优化工具箱Partial Differential Toolbox——偏微分方程工具箱Robust Control Toolbox——鲁棒控制工具箱Signal Processing Toolbox——信号处理工具箱Spline Toolbox——样条工具箱Statistics Toolbox——统计工具箱Symbolic Math Toolbox——符号数学工具箱Simulink Toolbox——动态仿真工具箱Wavele Toolbox——小波工具箱2、用举例的方法说明数值的表示方法是怎样的？MATLAB的数值采用十进制，可以带小数点或负号。

《自动控制原理》实验报告实验名称：实验五MatlabSimulink仿真实验院（系）：专业：姓名：学号：实验室：416 实验组别：同组人员：实验时间：评定成绩：审阅教师：实验五Matlab/Simulink 仿真实验一、实验目的（1）学习系统数学模型的多种表达方法，并会用函数相互转换。

（2）学习模型串并联及反馈连接后的系统传递函数。

（3）掌握系统BODE 图、根轨迹图及奈奎斯特曲线的绘制方法，并利用其对系统进行分析。

（4）掌握系统时域仿真的方法，并利用其对系统进行分析。

二、预习要求借阅相关Matlab/Simulink 参考书，熟悉能解决题目问题的相关Matlab 函数。

三、实验内容1．已知H (s )=0.051(0.21)(0.11)s s s +++，求H (s )的零极点表达式和状态空间表达式。

所以，根据输出结果，我们得到以下： H (s )的零极点表达式：()2.5(20)()()(5)(10)i ij jK s z s H s s p s s -+==-++∏∏状态空间表达式：155010A --⎡⎤=⎢⎥⎣⎦10B ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦[]2.550C =[]0D = 2．已知15()(1)(2)s H s s s s +=++，21()1H s s =+。

（1）求两模型串联后的系统传递函数。

（2）求两模型并联后的系统传递函数。

（3）求两模型在负反馈连接下的系统传递函数。

Matlab 原代码如下：num1 = [1,5];den1 = conv([1,1],[1,2]); den1 = conv(den1,[1,0]); H1 = tf(num1,den1)num2 = [1]; den2 = [1,1];H2 = tf(num2,den2)[num3,den3] = series(num1,den1,num2,den2); G1 = tf(num3,den3)[num4,den4] = parallel(num1,den1,num2,den2);G2 = tf(num4,den4)G3 = feedback(H1,H2)运行结果如下：H1 =s + 5 ----------------- s^3 + 3 s^2 + 2 sContinuous-time transfer function.H2 =1 ----- s + 1Continuous-time transfer function.G1 =s + 5 ------------------------- s^4 + 4 s^3 + 5 s^2 + 2 sContinuous-time transfer function.G2 =s^3 + 4 s^2 + 8 s + 5 ------------------------- s^4 + 4 s^3 + 5 s^2 + 2 sContinuous-time transfer function.G3 =s^2 + 6 s + 5 ----------------------------- s^4 + 4 s^3 + 5 s^2 + 3 s + 5 Continuous-time transfer function.求出的传递函数如下：串联传递函数：14325()452s G s s s s s +=+++ 并联传递函数：322432485()4535s s s G s s s s s +++=++++反馈传递函数：2343265()4535s s G s s s s s ++=++++3．作出上题中（1）的BODE 图，并求出幅值裕度与相位裕度。

自动控制理论仿真实验指导书目录实验一典型环节的MATLAB仿真 (3)一、实验目的 (3)二、SIMULINK的使用 (3)三、实验原理 (5)四、实验内容 (8)五、实验报告 (8)六、预习要求 (8)实验二线性系统时域响应分析 (8)一、实验目的 (8)二、基础知识及MATLAB函数 (9)三、实验内容 (18)四、实验报告 (19)五、预习要求 (19)实验三线性系统的根轨迹 (20)页脚内容1一、实验目的 (20)二、基础知识及MATLAB函数 (20)三、实验内容 (26)四、实验报告 (27)五、预习要求 (27)实验四线性系统的频域分析 (28)一、实验目的 (28)二、基础知识及MATLAB函数 (28)三、实验内容 (33)四、实验报告 (34)五、预习要求 (34)实验五线性系统串联校正 (35)一、实验目的 (35)二、基础知识 (35)三、实验内容 (45)四、实验报告要求 (45)五、预习要求 (46)页脚内容2实验六数字PＩＤ控制 (46)一、实验目的 (46)二、实验原理 (46)三、实验内容 (49)四、实验报告 (50)五、预习要求 (50)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、SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。

利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。

1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。

2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。

实验一典型环节的MATLAB仿真Experiment 1 MATLAB simulation of typical link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、SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。

利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。

1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter 键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。

2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。

3．在simulink仿真环境下，创建所需要的系统。

以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：1）进入线性系统模块库，构建传递函数。

点击simulink下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。

2）改变模块参数。

在simulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。

其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK，即完成该模块的设置。

3）建立其它传递函数模块。

按照上述方法，在不同的simulink的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。

例：比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。

4）选取阶跃信号输入函数。

用鼠标点击simulink下的“Source”，将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。

自动控制原理实验报告PID控制系统的Simulink仿真1.实验目的1）掌握PID控制规律及控制器的实现。

2）对给定系统合理地设计PID控制器。

3）掌握对给定系统进行PID控制器参数在线实验工程整定的方法。

2.实验原理在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减少系统稳态误差，提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成系统闭环系统不稳定，积分控制可以提高系统的型别，有利于提高系统稳定性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90度的相位滞后，对系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个（-1/t)的开环极点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。

在串联校正中，PI控制器增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。

位于原点的开环极点可以提高系统的型别（无差度），减小稳态误差，有利于提高系统稳定性能；负的开环零点可以减小系统的阻尼，缓和PI极点对系统产生的不利影响。

只要积分时间常数Ti足够大，PI控制器对系统的不利影响可大大减小。

PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。

在串联校正中，PID控制器增加了一个位于原点的开环极点和两个位于s左半平面的开环零点。

除了具有PI控制器的优点外，还多了一个负实零点，动态性能比PI更具有优越性。

通常应使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能；而使微分发生在中频段，以改善系统的动态性能。

PID控制器传递函数为Gc(s)=Kp*(1+1/Tis+Tds)，工程PID控制器仪表中比例参数整定常用比例度$%，$%=1/Kp*100%。

3.实验内容已知过程控制系统的被控广义对象为一个带延迟的惯性环节，其传递函数为：Go(s)=(e^-180s)*8/(360s+1)分别用P、PI、PID三种控制器校正系统，并分别整定参数，比较三种控制器的作用效果。

自动控制原理实验报告学院：机电工程学院班级：姓名：学号：指导老师：实验一：在MATLAB中创建系统模型一、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。

二、实验过程：1.传递函数模型的建立1）多项式形式的传递函数①课本例2.23上机操作过程如下：②课本P62，习题2-3上机操作过程如下：2）零、极点形式的传递函数课本例2.24上机操作过程如下：3）分子、分母为因式乘积形式的传递函数课本例2.25上机操作过程如下：2.Simulink 建模①课本例题上机操作如下：设单位反馈系统的开环传递函数为：)1(1)(+=s s s G将其转换成Simulink 框图，输入为阶跃信号，它的Simulink 框图如下所示：② 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G 的SIMULINK 图形建模操作如下；比例环节1)(1=s G 的SIMULINK 图形如下图所示：比例环节2)(1=s G 的SIMULINK 图形3.课后练习用matlab求下列函数的拉氏变换（习题2-1），上机操作过程如图所示：实验二：在MATLAB中算特征根及绘制根轨迹图一、实验目的：1．掌握MATLAB下的根轨迹绘制方法；2．学会利用根轨迹进行系统分析。

二、实验过程：1）例3-21 试利用MATLAB函数求例3.1中k=2.k=20时系统的特征根，并分别判定稳定性。

上机操作过程如下：>> num=[2];den=conv([1 0],conv([0.1 1],[0.25 1]));g=tf(num,den);sys=feedback(g,1);>> pzmap(sys)p=pole(sys)p =-11.0314-1.4843 + 2.2470i-1.4843 - 2.2470i2）例3-22 二阶系统如图3.13所示，设Wn=1,试研究系统的单位阶跃响应与参数ξ的关系。

自动控制原理实验报告姓 名班 级学 号指导教师1自动控制原理实验报告（一）一．实验目的1.了解掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。

2.观察分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。

3.了解掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。

4.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn 、阻尼比ξ对过渡过程的影响。

5.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 、t s 的计算。

6.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 值，并与理论计算值作比对。

二．实验过程与结果1.观察比例环节的阶跃响应曲线1.1模拟电路图1.2传递函数(s)G(s)()o i U K U s == 10R K R =1.3单位阶跃响应U(t)K 1.4实验结果1.5实验截图2342.观察惯性环节的阶跃响应曲线2.1模拟电路图2.2传递函数(s)G(s)()1o i U KU s TS ==+10R K R =1T R C =2.3单位阶跃响应0(t)K(1e)tTU-=-2.4实验结果2.5 实验截图5673.观察积分环节的阶跃响应曲线3.1模拟电路图3.2传递函数(s)1G(s)()TS o i U U s ==i 0T =R C3.3单位阶跃响应01(t)i U t T =3.4 实验结果3.5 实验截图89104.观察比例积分环节的阶跃响应曲线4.1模拟电路图4.2传递函数0(s)1(s)(1)(s)i i U G K U T S ==+10K R R =1i T R C=4.3单位阶跃响应1 (t)(1)U K tT=+ 4.4实验结果4.5实验截图1112135.观察比例微分环节的阶跃响应曲线5.1模拟电路图5.2传递函数0(s)1(s)()(s)1i U TSG K U S τ+==+12312(R )D R R T CR R =++3R C τ=120R R K R +=141233(R //R )R D K R +=0.06D D T K sτ=⨯=5.3单位阶跃响应0(t)()U KT t Kδ=+5.4实验结果截图6.观察比例积分微分（PID ）环节的响应曲线6.1模拟电路图156.2传递函数0(s)(s)(s)p p p d i i K U G K K T S U T S ==++123212(R )C d R R T R R =++i 121(R R )C T =+120p R R K R +=1233(R //R )R D K R +=32R C τ= D D T K τ=⨯6.3单位阶跃响应0(t)()p p D p K U K T t K tTδ=++6.4实验观察结果截图16三．实验心得这个实验，收获最多的一点：就是合作。