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控制系统仿真实验指导书MATLAB部分

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控制系统仿真实验说明书Matlab部分

1 目 录

前 言 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。

实验一 MATLAB基本操作 ......................................................................................................... 2

实验二 MATLAB编程 ................................................................................................................. 6

实验三 MATLAB底层图形控制 ................................................................................................. 6

实验四 控制系统古典分析 ........................................................................................................... 6

实验五 控制系统现代分析 ........................................................................................................... 6

实验六 PID控制器的设计 ......................................................................................................... 12

实验七 系统状态空间设计 ......................................................................................................... 14

实验八 磁悬浮系统仿真 ............................................................................................................. 16

实验九 直流双闭环调速系统仿真 ............................................................................................. 20

实验十 倒立摆控制系统仿真 ..................................................................................................... 21 2 实验一 MATLAB基本操作

实验目的

1．熟悉MATLAB实验环境，练习MATLAB命令、m文件基本操作。

2．利用MATLAB编写程序进行矩阵运算、图形绘制、数据处理等。

3. 熟悉矩阵相关的基本函数和命令。

4．熟练使用帮助。

实验原理

MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。MATLAB有3种窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m-文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。

1．命令窗口（The Command Window）

当MATLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。

在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为m-文件。

2．m-文件编辑窗口（The Edit Window）

我们可以用m-文件编辑窗口来产生新的m-文件，或者编辑已经存在的m-文件。在MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的m-文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的m-文件，并且可以在这个窗口中编辑这个m-文件。

3．图形窗口（The Figure Window）

图形窗口用来显示MATLAB程序产生的图形。图形可以是2维的、3维的数据图形，也可以是照片等。

实验内容

1 用MATLAB可以识别的格式输入下面两个矩阵 3 12332357135732391894A 144367823355422675342189543iiBi

再求出它们的乘积矩阵C，并将C矩阵的右下角2×3子矩阵赋给D矩阵。赋值完成后，调用相应的命令查看MATLAB工作空间的占用情况。

2 选择合适的步距绘制出下面的图形

1sin(/)t，其中11(,)t

3 对下面给出的各个矩阵求取矩阵的行列式、秩、特征多项式、范数、特征根、特征向量和逆矩阵。

75350083341009103150037193......A，5765710876810957910B

12345678910111213141516C，33245518118575131D

4 求解下面的线性代数方程，并验证得出的解真正满足原方程。

(a)72124915327221151132130X，(b)1321390721264915321172211521X

5.

(1) 初始化一10*10矩阵，其元素均为1

(2) 初始化一10*10矩阵，其元素均为0

(3) 初始化一10*10对角矩阵

(4) 输入A=[7 1 5；2 5 6；3 1 5]，B=[1 1 1; 2 2 2; 3 3 3]，执行下列命令，理解其含义

A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A^2 A.^2 B/A B./A

6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)，sin(t)/t∈[0，2π]，用不同颜色，不同线的类型予以表示，注意坐标轴的比例控制。

4

实验二 Matlab编程

实验目的

1．熟悉 Matlab 程序设计的基本方法

2．掌握for，while，switch-case，if结构

3．掌握函数编写方法

实验原理

1 在MATLAB帮助中切换到index标签，分别键入if，while，for，switch查看相关说明

2建立函数文件，系统提供了一个用于创建用户函数的命令function，以备用户

(1)．格式：

function [输出变量列表]=fun_name(输入变量列表)

用户自定义的函数体

(2)．函数文件名为：fun_name，注意：保存时文件名与函数名最好相同；

(3)．存储路径：最好在系统的搜索路径上。

(4). 调用方法：输出参量=fun_name (输入变量)

Example 求向量的平均值及标准差

function [mean,stdev] = stat(x)

n = length(x);

mean = sum(x)/n;

stdev = sqrt(sum((x-mean).^2/n));

实验内容

1分别用for和while循环结构编写程序，求出

6323626302122222iiK

并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。

2计算 1+2+„+n<2000 时的最大 n 值

5 3 用MATLAB语言实现下面的分段函数

,()/,,hxDyfxhDxxDhxD

存放于文件ff.m中，令D=3，h=1求出，f(-1.5), f(0.5), f(5). 6 实验三 Matlab底层图形控制

实验目的

1．理解Matlab中的句柄

2．利用MATLAB命令获取句柄及对目标进行设置

实验原理

MATLAB为所创建的每一个图形对象都分配一个句柄（相当于指针），用户可以通过MATLAB中的函数来获取对象的句柄，并对其进行控制，系统中这些图形对象具有继承关系。

根:图形对象的根，对应于计算机屏幕，根只有一个，其它所有图形对象都是根的后代。

图形窗口: 根的子代，窗口的数目不限，所有图形窗口都是根屏幕的子代，除根之外，其它对象则是窗的后代。

界面控制:图形窗口的子代，创建用户界面控制对象，使得用户可采用鼠标在图形上作功能选择，并返回句柄。

界面菜单: 图形窗口的子代，创建用户界面菜单对象

轴:图形窗口的子代，创建轴对象，并返回句柄，线面字块像的父辈

线:轴的子代，创建线对象

面:轴的子代，创建块对象

字:轴的子代，创建字对象

块:轴的子代，创建块对象

像:轴的子代，创建图像对象

 各图形对象的句柄数据格式：

根屏幕 0

图形窗口 整数，表示图形窗口数

其它对象 对应的浮点数

get: 获得句柄图形对象的属性和返回某些对象的句柄值

set: 改变图形对象的属性

gcf：当前窗口对象的句柄 Get Current Figure

gca：当前轴对象的句柄 Get Current Axes

实验内容

1 在MATLAB命令行中编程得到y=sin(t)和y1=cos(t)函数, plot(t,y);figure(10);plot(t,y1);

2 在MATLAB命令行中键入h=get(0)，查看根屏幕的属性，h此时为根屏幕句柄的符号表

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现代控制理论-基于MATLAB的实验指导书课程设计指导书

现代控制理论-基于MATLAB的实验指导书课程设计指导书

1

现代控制理论

基于MATLAB的实 验 指 导 书

2 第一部分 实验要求

1．实验前做好预习。

2．严格按照要求操作实验仪器，用毕恢复原状。

3．实验完成后，由指导教师检查实验记录、验收仪器后，方可离开。

4．实验报告应包括以下内容：

1） 实验目的；

2） 实验原理图；

3） 实验内容、步骤；

4） 仿真实验结果（保留仿真实验波形，读取关键参数）；

5） 仿真实验结果分析。

第二部分 MATLAB平台介绍

实际生产过程中，大部分的系统是比较复杂的，并且要考虑安全性、经济性以及进行实验研究的可能性等，这在现场实验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。这时，就需要把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究，简称仿真。

到目前为止，已形成了许多各具特色的仿真语言。其中美国Mathworks软件公司的动态仿真集成软件Simulink与该公司著名的MATLAB软件集成在一起，成为当今最具影响力的控制系统应用软件。

国内MATLAB软件的著名论坛为“MATLAB中文论坛”，网址为：https:///forum.php，建议同学们注册并参与论坛相关内容的讨论。

图1 MATLAB仿真环境 3

第三部分 实验

实验一

线性系统的时域分析

实验目的

熟悉MATLAB环境，掌握用MATLAB控制系统工具箱进行线性定常系统的时域分析、能控性与能观性分析、稳定性分析的方法。

实验要求

完成指导书规定的实验内容，记录并分析实验结果，写出实验报告。

实验内容

1．已知系统的状态模型，求系统在单位阶跃输入下的各状态变量、输出响应曲线。

例：2121214493.69691.1,0107814.07814.05572.0xxyuxxxx。

控制系统matlab仿真实验报告6

控制系统matlab仿真实验报告6

09自动化 张家明 080312009081

控制系统仿真 实验报告

实验6．控制系统频域分析

班级：09自动化 报告人：张家明 完成时间：2012-12-4

1 .典型二阶系统传递函数如下，绘制的阻尼比为0.7时，分别取12,10,8,6,4,2n时的伯德图，并分析参数变化对系统的影响。

2222)(nnnsssG

程序：

clc

close all

zeta=0.7;

for wn=[2 4 6 8 10 12]

num=[wn^2];

den=[1 2*zeta*wn wn^2];

bode(num,den);

hold on

end

运行结果：

-150-100-50050Magnitude (dB)10-1100101102103-180-135-90-450Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec) 09自动化 张家明 080312009081

2、已知系统的闭环传递函数G(s)如下，

1）绘制系统的Bode图，2）求出系统的谐振幅值和谐振频率3）求出增加极点H(s)前、后的增益裕度和相角裕度，并分析所得结果，4）在同一图形中绘制系统的时域响应曲线给予验证。

424)(2sssG5.22.5)(ssH

1).

程序：

num=[4];

den=[1 2 4];

bode(num,den)

运行结果：

-80-60-40-20020Magnitude (dB)10-1100101102-180-135-90-450Phase (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)

2).

程序：

num=[4];

den=[1 2 4];

《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告

《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告

《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告

兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 第1页 共25页 《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验任务书（2009）

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MATLAB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P136.3-5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P136.3-9系统的动态性能及稳态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用；

 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aK时，试采用微分反馈使系统的性能满足给定的设计指标。

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MATLAB绘制教材P181.4-5-(3）；

 在MATLAB环境下选择完成教材第四章习题4-10或4-18，并对结果进行分析。

3）第五章 线性系统的频域分析法

利用MATLAB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MATLAB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。

5）第七章 线性离散系统的分析与校正

 利用MATLAB完成教材P383.7-20的最小拍系统设计及验证。

 利用MATLAB完成教材P385.7-25的控制器的设计及验证。

二．仿真实验时间安排及相关事宜

1．依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师可随课程进度安排上机时间，学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时内完成仿真实验要求的内容；

控制系统MATLAB仿真实验指导书

控制系统MATLAB仿真实验指导书

实验5. 控制理论仿真实验

1 控制系统的建模

一、实验目的

1.学习在命令窗口建立系统模型的方法；

2.学习如何在三种模型之间相互转换；

3.学习如何用仿真工具建模。

二、相关知识

1.传递函数模型

设连续系统的传递函数为：

nnnnmmmmasasasabsbsbsbsdensnumsG11101110)()()(

设离散系统的传递函数为：

nnnnmmmmazazazabzbzbzbzdenznumzG11101110)()()(

则在中，都可直接用分子/分母多项式系数构成的两个向量与构成的矢量组[]表示系统，即

],,,[10mbbb

=],,,[10naaa

建立控制系统的传递函数模型（对象）

的函数为 (),调用格式为：

()

()

()

()返回的变量为连续系统的传递函数模型。

()返回的变量为离散系统的传递函数模型，为采样周期，当1或[]时，系统的采样周期未定义。

()将任意的控制系统对象转换成传递函数模型。

离散系统的传递函数的表达式还有一种表示为1z的形式（即形式），转换为形式的函数命令为()，调用格式为：

()

()

()函数用来建立一个采样时间未指定的形式传递函数。

()函数用来建立一个采样时间为的形式传递函数。 2.零极点增益模型

设连续系统的零极点增益模型传递函数为：

)())(()())(()(2121nmpspspszszszsksG

设离散系统的零极点增益模型传递函数为：

)())(()())(()(1010nmpzpzpzzzzzzzkzG

则在中，都可直接用向量构成的矢量组[]表示系统，即

],,[10mzzz

],,[10nppp

][k

在中，用函数()来建立控制系统的零极点增益模型，调用格式为：

()

()

()

()返回的变量为连续系统的零极点增益模型。