计算机仿真实验四-基于Simulink控制系统仿真与综合设计

实验八 基于Simulink 的伺服系统仿真一． 实验目的1) 熟悉Simulink 的工作环境及其SimPowerSystems 功能模块库；2) 掌握Simulink 的电力电子电路系统建模和仿真方法；3) 掌握Simulink 下数学模型的仿真方法；4）掌握PID 控制对系统输出特性的影响。

二．实验内容直流电机单闭环调速系统组成如图8.1所示。

图8.1中，r 为给定输入量，y 为系统速度输出量，e 为系统偏差控制量。

控制器选用PI 调节控制方式，功率放大器选用PWM 功率放大器，电机选用他励直流电机。

系统参数见表8-1。

给定速度100 /r rad s =，负载由空载到1s 时跳变到20N 。

调节不同的PI 控制器参数，观测电机速度波形、转矩波形的变化规律。

PI 控制器参数取值为a) Ki=100, Kp=5; b) Ki=2, Kp=1。

控制器功率放大器伺服电机r ye +-图8.1 直流电机单闭环调速系统组成三．实验步骤1. 建立电路仿真系统在Simulink仿真环境中打开Simulink库，找出相应的单元部件模型，构造图所示的仿真模型。

其中用到了直流电机模块。

直流电机模块有1个输入端子、1个输出端子和4个电气连接端子。

电气连接端子与直流电机励磁绕组相连。

A+和A-与电机电枢绕组相连。

输入端子是电机负载转矩的输入端。

输入端子（m）输出一系列的电机内部信号，由4路信号组成。

通过“信号数据流模块库”中的“信号分离”模块，即Demux模块可以将输出端子m 中的各路信号分离出来。

经过整流桥变换向电机提供直流电压。

经励磁回路，输出PWM波形。

同时，电机的转速作为反馈信号反馈到输入端。

对于三相电压源，选择频率为50Hz，幅值为2203。

按图连接好线路，设置参数，建立其仿真模型，并对各个单元部件模型的参数进行修改，如图所示。

2.进行仿真波形输出示波器的输出波形如下，依次为电机转速，电枢电流，场电流，电磁转矩（1）Ki=100, Kp=5（2）Ki=2, Kp=1四、实验结论由上图可见，此系统为脉冲比较系统，仿真模型中利用负反馈，经PI 控制输出误差给脉波发生端。

实验七 基于Simulink 的简单电力系统仿真实验一． 实验目的1) 熟悉Simulink 的工作环境及SimPowerSystems 功能模块库； 2) 掌握Simulink 的的powergui 模块的应用；3) 掌握发电机的工作原理及稳态电力系统的计算方法； 4）掌握开关电源的工作原理及其工作特点； 5）掌握PID 控制对系统输出特性的影响。

二．实验内容与要求单机无穷大电力系统如图7-1所示。

平衡节点电压044030 V V =∠︒ 。

负荷功率10L P kW =。

线路参数：电阻1l R =Ω；电感0.01l L H =。

发电机额定参数：额定功率100n P kW =；额定电压440 3 n V V =；额定励磁电流70 fn i A =；额定频率50n f Hz =。

发电机定子侧参数：0.26s R =Ω，1 1.14 L mH =，13.7 md L mH =，11 mq L mH =。

发电机转子侧参数：0.13f R =Ω，1 2.1 fd L mH =。

发电机阻尼绕组参数：0.0224kd R =Ω，1 1.4 kd L mH =，10.02kq R =Ω，11 1 kq L mH =。

发电机转动惯量和极对数分别为224.9 J kgm =和2p =。

发电机输出功率050 e P kW =时，系统运行达到稳态状态。

在发电机输出电磁功率分别为170 e P kW =和2100 e P kW =时，分析发电机、平衡节点电源和负载的电流、电磁功率变化曲线，以及发电机转速和功率角的变化曲线。

G 发电机节点V负荷lR l LLP图 7.1 单机无穷大系统结构图输电线路三．实验步骤1. 建立系统仿真模型同步电机模块有2个输入端子、1个输出端子和3个电气连接端子。

模块的第1个输入端子（Pm）为电机的机械功率。

当机械功率为正时，表示同步电机运行方式为发电机模式；当机械功率为负时，表示同步电机运行方式为电动机模式。

课程教案课程名称：计算机仿真技术实验任课教师：汤群芳所属院部：电气与信息工程学院教学班级：电气1403-04班教学时间：2015—2016学年第2学期湖南工学院课程基本信息1 实验一熟悉MATLAB环境及基本运算（验证性实验）一、本次课主要内容1、熟悉MATLAB环境；2、掌握MATLAB常用命令；3、MATLAB变量与运算符。

二、实验目的与要求1、熟悉MATLAB开发环境；2、掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算。

三、教学重点难点重点：矩阵的运算；难点：无。

四、教学方法和手段课堂讲授、演示；巡回指导。

五、作业与习题布置完成实验报告2 实验一熟悉MATLAB环境及基本运算（验证性实验）一、实验目的1．熟悉MATLAB开发环境2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算二、实验原理1.熟悉MATLAB环境熟悉MATLAB桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览文件和搜索路径浏览器。

3.MATLAB变量与运算符变量命名规则如下：（1）变量名可以由英语字母、数字和下划线组成（2）变量名应以英文字母开头（3）长度不大于31个（4）区分大小写MATLAB中设置了一些特殊的变量与常量，列于下表。

表1 MATLAB的特殊变量与常量MATLAB运算符，通过下面几个表来说明MATLAB的各种常用运算符3表2 MATLAB算术运算符表3 MATLAB关系运算符表4 MATLAB逻辑运算符表5 MATLAB特殊运算4. MATLAB的一维、二维数组的访问45. MATLAB的基本运算表7 两种运算指令形式和实质内涵的异同表6.MATLAB的常用函数表8 标准数组生成函数5表9 数组操作函数7.多项式运算poly——产生特征多项式系数向量roots——求多项式的根p=poly2str(c,‘x’)—（将特征多项式系数向量c转换为以习惯方式显示是多项式）conv, convs——多项式乘运算deconv——多项式除运算polyder(p)——求p的微分polyder(a, b)——求多项式a,b乘积的微分[p,q]=polyder(p1,p2)——求解多项式p1/p2微分的有理分式Polyval(p,A)——按数组运算规则求多项式p在自变量A的值polyvalm(p,A)——按矩阵运算规则求多项式p在自变量A的值三、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLAB软件平台）。

毕业设计（论文）题目基于MATLAB控制系统仿真应用研究毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：基于MATLAB的控制系统仿真应用研究II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：原始资料：（1）MATLAB语言。

（2）控制系统基本理论。

设计技术要求：（1）采用MATLAB仿真软件建立控制系统的仿真模型，进行计算机模拟，分析整个系统的构建，比较各种控制算法的性能。

（2）利用MATLAB完善的控制系统工具箱和强大的Simulink动态仿真环境，提供用方框图进行建模的图形接口，分别介绍离散和连续系统的MATLAB和Simulink仿真。

III、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：第01～03周：查找课题相关资料，完成开题报告，英文资料翻译。

第04～11周：掌握MATLAB语言，熟悉控制系统基本理论。

第12～15周：完成对控制系统基本模块MATLAB仿真。

第16～18周：撰写毕业论文，答辩。

Ⅳ、主要参考资料：[1] 《MATLAB在控制系统中的应用》，张静编著，电子工业出版社。

[2]《MATLAB在控制系统应用与实例》，樊京，刘叔军编著，清华大学出版社。

[3]《智能控制》，刘金琨编著，电子工业出版社。

[4]《MATLAB控制系统仿真与设计》，赵景波编著，机械工业出版社。

[5]The Mathworks,Inc.MATLAB-Mathemmatics(Cer.7).2005.信息工程系电子信息工程专业类 0882052 班学生（签名）：填写日期：年月日指导教师（签名）：助理指导教师(并指出所负责的部分)：信息工程系（室）主任（签名）：学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。

对本文的研究成果作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

实验九SIMULINK仿真一、实验目的SIMULINK是一个对动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统）进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，是MA TLAB的一个附加组件，其特点是模块化操作、易学易用，而且能够使用MATLAB提供的丰富的仿真资源。

在SIMULINK环境中，用户不仅可以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响，而且也可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。

因此SIMULINK已然成为目前控制工程界的通用软件，而且在许多其他的领域，如通信、信号处理、DSP、电力、金融、生物系统等，也获得重要应用。

对于信息类专业的学生来说，无论是学习专业课程或者相关课程设计还是在今后的工作中，掌握SIMULINK，就等于是有了一把利器。

本次实验的目的就是通过上机训练，掌握利用SIMULINK对一些工程技术问题（例如数字电路）进行建模、仿真和分析的基本方法。

二、实验预备知识1. SIMULINK快速入门在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。

1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。

但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。

SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。

顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用系统提供的各种功能模块并通过信号线连接各个模块从而创建出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。

⏹SIMULINK的启动首先启动MATLAB，然后在MA TLAB主界面中单击上面的Simulink按钮或在命令窗口中输入simulink命令。

控制系统计算机仿真课程设计前言计算机仿真作为一个重要的工具，在控制系统的设计和实现中发挥着重要作用。

本文将介绍控制系统计算机仿真课程设计的内容和步骤，并结合一个实际的案例阐述如何利用计算机仿真技术进行控制系统设计。

设计内容和步骤设计内容控制系统计算机仿真课程的设计内容通常包括以下几个方面：1.系统建模：选择合适的控制模型，建立数学模型和仿真模型。

2.系统分析：分析系统的稳态和暂态响应，优化控制系统的性能。

3.控制器设计：设计合适的控制器结构和参数，实现闭环控制。

4.系统仿真：利用计算机仿真软件进行系统仿真，并分析仿真结果。

5.实验验证：通过实验验证仿真结果的正确性，进一步优化控制系统的性能。

设计步骤控制系统计算机仿真课程的设计步骤可以分为以下几个部分：1.系统建模掌握控制系统建模方法，能够从实际物理系统中抽象出控制对象、控制器等模型，建立相应的数学模型和仿真模型。

2.系统分析使用数学分析方法，分析系统的稳态和暂态响应，评估控制系统的性能。

包括评估系统的稳定性、快速性、抗干扰性等。

3.控制器设计使用控制理论，设计合适的控制器结构和参数，实现闭环控制。

掌握 PID、根轨迹、频域等控制器设计方法，能够根据系统要求选择合适的控制器。

4.系统仿真使用计算机仿真软件，进行系统仿真，验证控制系统的性能和预测实际系统行为。

掌握仿真软件的使用方法，能够进行仿真实验设计、仿真模型编写、仿真实验执行等。

5.实验验证在实验室、车间等实际环境中，利用实验设备和仪器对控制系统进行实验验证，验证仿真结果的正确性。

并通过实验优化控制器参数，提高控制系统的性能。

实例分析在本节中，我们将结合一个实际的案例，介绍控制系统的计算机仿真课程设计。

案例背景某高速公路入口处的车道管理系统由计算机控制，通过红绿灯控制车辆的通行。

系统从入口指示车辆能否进入高速公路，在出口将车辆计数和收费。

由于车辆的流量较大，系统的控制效果受到影响，需要进行优化。

实验三 利用Matlab 和Simulink 进行系统仿真设计一．实验目的通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。

二. 实验设备个人计算机，Matlab 软件。

三. 实验准备预习本实验相关说明，复习PID 控制器的原理和作用，明确汽车运动控制系统问题的描述及其模型表示，编写本次仿真练习的相应程序。

四. 实验说明本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。

注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。

然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。

五. 实验内容1. 问题的描述如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。

根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为：⎩⎨⎧==+v y u bv v m 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ，比例系数b =50 N ·s/m ，汽车的驱动力u =500 N 。

根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。

由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。

这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为：上升时间：t r <5s ；最大超调量：σ％<10％；稳态误差：e ssp <2％。

实验四 基于Simulink 控制系统仿真与综合设计4.1实验目的1）熟悉Simulink 的工作环境及其功能模块库； 2）掌握Simulink 的系统建模和仿真方法；3）掌握Simulink 仿真数据的输出方法与数据处理；4）掌握利用Simulink 进行控制系统的时域仿真分析与综合设计方法； 5）掌握利用 Simulink 对控制系统的时域与频域性能指标分析方法。

4.2实验内容与要求4.2.1 实验内容图4.1为单位负反馈系统。

分别求出当输入信号为阶跃函数信号)(1)(t t r =、斜坡函数信号t t r =)(和抛物线函数信号2/)(2t t r =时，系统输出响应)(t y 及误差信号)(t e 曲线。

若要求系统动态性能指标满足如下条件：a) 动态过程响应时间s t s 5.2≤；b) 动态过程响应上升时间s t p 1≤；c) 系统最大超调量%10≤p σ。

按图4.2所示系统设计PID 调节器参数。

s119.010+s 1007.01+s +-)(t r )(t y )(t e图4.1 单位反馈控制系统框图s 119.010+s 1007.01+s +-)(t r )(t y )(t e PID图4.2 综合设计控制系统框图4.2.2 实验要求１） 采用Simulink 系统建模与系统仿真方法，完成仿真实验； ２） 利用Simulink 中的Scope 模块观察仿真结果，并从中分析系统时域性能指标（系统阶跃响应过渡过程时间，系统响应上升时间，系统响应振荡次数，系统最大超调量和系统稳态误差）； ３） 利用Simulink 中Signal Constraint 模块对图4.2系统的PID 参数进行综合设计，以确定其参数； ４） 对系统综合设计前后的主要性能指标进行对比分析，并给出PID参数的改变对闭环系统性能指标的影响。

4.3确定仿真模型在Simulink 仿真环境中，打开simulink 库，找出相应的单元部件模型，并拖至打开的模型窗口中，构造自己需要的仿真模型。

matlab实验报告和Simulink方法及仿真实验山东建筑大学姓名:XX学号201009班级: 095班山东建筑大学机电工程学院2013.07.01~2013.07.07第二部分Simulink方法及仿真实验一、开环系统1、如图所示，当输入信号分别是方波信号和正弦信号时，分析输出信号的波形。

积分环节的特点是输出量为输入量对时间的累积，输出幅值呈线性增长。

（a）输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号时方波信号时，输出信号等于对方波信号时间的累积。

当方波信号在高电位时，输出为线性增长；当方波信号在零电位时，输出信号不增加，并且是保持不变的，因此是一条直线，在时间的积累下，输出信号就是如图所示的波形。

2、如图所示，开环系统是一阶惯性环节的开环系统。

当输入信号分别是方波信号和正弦信号时，分析输出信号的波形。

一阶惯性环节逇输出需要延迟一段时间才能够接近所要求的输出量，但是它也是从输入开始的时候就有了输出。

（a）输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号是方波信号时，输出量一开始就有了，且从0开始逐渐增大，当达到1/2周期时，输出量达到了最大值；当方波信号为零电位时，输出量有不断减小，在一个周期时变为0，如此周期变化下去，因此可以得到输出信号的波形图如图所示。

3如图所示，开环系统是微分环节的开环系统。

当输入信号分别是方波信号和正弦信号时，分析输出信号的波形。

微分环节的输出为输入的倒数，反映了输入的变化趋势，因此，可以对输入的变化趋势经行预测。

微分环节可以对系统提前施加校正作用，以提高系统的灵敏度。

（a）输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号是方波信号时，在0~T/2和T/2~T内，方波信号处于高电位和点电位不发生变化，因此输出信号应该为0，在T/2时刻，输入信号从高电位变为地点为，变化率趋紧负无穷大，因此输出信号应该是接近负无穷大；同理，在T时刻，输出信号应该是接近正无穷大，但是由于系统的原因，都不会无穷大，而是以比较大的值，并且会有一定的时间延迟。

MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真实验报告姓名：******专业：电气工程及其自动化班级：*******************学号：*******************实验一无穷大功率电源供电系统三相短路仿真1.1 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建运行MATLAB软件，点击Simulink模型构建，根据电路原理图，添加下列模块：（1）无穷大功率电源模块（Three-phase source）（2）三相并联RLC负荷模块（Three-Phase Parallel RLC Load）（3）三相串联RLC支路模块（Three-Phase Series RLC Branch）（4）三相双绕组变压器模块（Three-Phase Transformer (Two Windings)）（5）三相电压电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）（6）三相故障设置模块（Three-Phase Fault）（7）示波器模块（Scope）（8）电力系统图形用户界面（Powergui）按电路原理图连接线路得到仿真图如下：1.2 无穷大功率电源供电系统仿真参数设置1.2.1 电源模块设置三相电压110kV，相角0°，频率50Hz，接线方式为中性点接地的Y形接法，电源电阻0.00529Ω，电源电感0.000140H，参数设置如下图：1.2.2 变压器模块变压器模块参数采用标幺值设置，功率20MVA，频率50Hz，一次测采用Y型连接，一次测电压110kV，二次侧采用Y型连接，二次侧电压11kV，经过标幺值折算后的绕组电阻为0.0033，绕组漏感为0.052，励磁电阻为909.09，励磁电感为106.3，参数设置如下图：1.2.3 输电线路模块根据给定参数计算输电线路参数为：电阻8.5Ω，电感0.064L，参数设置如下图：1.2.4 三相电压电流测量模块此模块将在变压器低压侧测量得到的电压、电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，勾选“使用标签（Use a label）”以便于示波器观察波形，设置电压标签“Vabc”，电流标签“Iabc”，参数设置如下图：1.2.5 故障设置模块勾选故障相A、B、C，设置短路电阻0.00001Ω，设置0.02s—0.2s发生短路故障，参数设置如下图：1.2.6 示波器模块为了得到仿真结果准确数值，可将示波器模块的“Data History”栏设置为下图所示：1.3 无穷大功率电源供电系统仿真结果及分析得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小，短路电流周期分量的幅值为Im=10.63kA，时间常数Ta=0.0211s，则短路冲击电流为Iim=17.3kA。

电子信息工程系实验报告课程名称：计算机仿真技术成绩：实验项目名称： Simulink基本仿真实验时间： 2008-9-17指导教师（签名）：班级：通信061 姓名：学号：一、实验目的熟悉Simulink的基本模块库，掌握模块的基本操作。

学习建立简单的仿真模型的方法，并且通过建模仿真掌握Simulink模块的基本参数设置和系统仿真参数设置。

二、实验环境硬件：PC机，基本配置CPU PII以上，内存256M以上；软件：Matlab 版本6.5三、实验原理Simulink提供了大量以图形方式给出的内置系统模块，使用这些内置模块可以快速方便地设计出特定的动态系统。

Simulink的模块库能够对系统模块进行有效的管理与组织，使用Simulink模块库浏览器可以按照类型选择合适的系统模块、获得系统模块的简单描述以及查找系统模块等，并且可以直接将模块库中的模块拖动或者拷贝到用户的系统模型中以构建动态系统模型。

常见的模块有连续系统模块，离散系统模块，信号模块，数学操作模块等。

当对系统中各模块参数以及系统仿真参数进行正确设置之后，单击系统模型编辑器上的Play图标（黑色三角）或选择Simulation菜单下的Start便可以对系统进行仿真分析。

可以使用Scope观察结果波形，使用To Workspace模块将结果输出到Matlab主窗口工作区, 也可以将结果输出到mat文件。

四、实验内容及结果分析1、建立如图1所示的仿真模型，研究不同的数据输出方式。

Sine Wave模块参数默认；系统仿真参数设置选择默认方式。

图1 仿真模型1当数据输出到Workspace时，To Workspace模块Save Format参数设置为Array。

仿真后可在Workspace窗口输出采样时间变量tout和正弦波采样值变量simout。

其大小均为51×1的数组。

这是因为仿真时间为10S，默认采样间隔为0.2S。

当数据以mat格式的文件进行保存时，选择To File模块。