仿真实验线性系统稳定性分析报告

实验一系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换实验目的：1、学习多变量系统状态空间表达式的建立方法、了解系统状态空间表达式与传递函数相互转换的方法；2、通过编程、上机调试，掌握多变量系统状态空间表达式与传递函数相互转换的方法。

实验内容及结果：>>num=[0 0 1 2;0 1 5 3];den=[1 2 3 4];[A,B,C,D]=tf2ss(num,den)实验二状态空间控制模型系统仿真及状态方程求解实验目的：1、熟悉线性连续系统的状态空间控制模型的各种表示方法；2、熟悉系统模型之间的转换功能；3、利用MATLAB对线性定常系统进行动态分析。

实验内容及结果（1）>>num=[1 2 1 3]; den=[1 0.5 2 1];sys=tf(num,den);sys1=tf2zp(num,den); sys2=tf2ss(num,den); impulse(sys);step(num,den,t);>>A=[0 1;-10 -5];B=[0;0];D=B;C=[1 0;0 1];x0=[2;1];[y,x,t]=initial(A,B,C,D,x0);plot(t,x(:,1),t,x(:,2))gridtitle('Response to initial condition') xlabel('Time(sec)')ylabel('x1,x2')text(0.55,1.15,'x1')text(0.4,-2.9,'x2')>>A=[-1 -1;6.5 0]; B=[1 1;1 0];C=[1 0;0 1];D=[0 0;0 0];step(A,B,C,D)(4)思考>>A=[0 -2;1 -3];B=[2;0];C=[1 0];x0=[1;1];U=1;[t,x]=ode45(@solve_state_fun,[0 10],x0,[],A,B,U); plot(t,x(:,1),t,x(:,2));gridtitle('Response to initial condition')xlabel('Time(sec)')ylabel('x1,x2')text(0.55,1.15,'x1')text(0.4,-2.9,'x2')实验三系统能控性、能观性的判别实验目的:1、系统的能控性和能观测性的判别方法、系统的能控性和能观测性的分解；2、了解MATLAB中的相应的函数。

奈奎斯特准则的仿真实验奈奎斯特准则是一种用于系统稳定性判断的方法，可用于确定线性时不变系统的稳定性。

通过奈奎斯特准则，我们可以利用系统的频率响应来判断系统的稳定性。

在进行仿真实验时，我们可以通过数学模型和计算机仿真的方法来验证奈奎斯特准则。

首先，我们需要建立系统的传递函数，以描述系统的输入和输出之间的关系。

传递函数可以通过实验数据或系统建模的方式来获取。

在仿真实验中，我们可以使用软件工具（例如MATLAB或Simulink）来构建系统传递函数，并进行仿真分析。

假设我们现在需要测试的系统传递函数为G(s)，其中s是复频率变量。

奈奎斯特准则的基本原理是通过将频率响应G(jω)（其中j是虚数单位，ω是频率）绘制在复平面上，来判断系统的稳定性。

在奈奎斯特图上，我们将频率响应转化为极坐标形式，其中幅值为响应的模长，角度为相位。

通过对频率响应进行奈奎斯特变换，可以得到系统的奈奎斯特图。

根据奈奎斯特准则，系统的稳定性取决于闭环传递函数的极点是否位于左半平面。

进行仿真实验时，我们可以按照以下步骤进行：1.通过数学建模或实验数据获得系统的传递函数G(s)。

2. 使用仿真软件（如MATLAB或Simulink）构建系统的传递函数模型。

3. 绘制该系统的频率响应曲线（例如Bode图）。

4.将频率响应转化为奈奎斯特图，并绘制在复平面上。

5.根据奈奎斯特图判断系统的稳定性，找到系统的极点。

6.若系统的极点位于左半平面，则系统稳定；若有极点位于右半平面，则系统不稳定。

在进行实验时，我们可以先利用奈奎斯特准则对一些已知稳定性的系统进行验证。

例如，对于二阶系统，我们可以验证当系统的两个极点都位于左半平面时，系统稳定；若有一个极点位于右半平面，则系统不稳定。

此外，我们还可以通过添加控制器来调节系统的稳定性。

例如，可以添加比例、积分或者微分控制器，并观察系统的频率响应和奈奎斯特图的变化。

根据奈奎斯特准则，我们可以判断控制器的设计是否能够使得系统更加稳定。

线性系统理论Matlab实验报告1、本题目是在已知状态空间描述的情况下要求设计一个状态反馈控制器，从而使得系统具有实数特征根，并要求要有一个根的模值要大于5，而特征根是正数是系统不稳定，这样的设计是无意义的，故而不妨设采用状态反馈后的两个期望特征根为-7，-9，这样满足题目中所需的要求。

（1）要对系统进行状态反馈的设计首先要判断其是否能控，即求出该系统的能控性判别矩阵，然后判断其秩，从而得出其是否可控；判断能控程序设计如下：>> A=[-0.8 0.02;-0.02 0];B=[0.05 1;0.001 0];Qc=ctrb(A,B)Qc =0.0500 1.0000 -0.0400 -0.80000.0010 0 -0.0010 -0.0200Rc=rank(Qc)Rc =2Qc =0.0500 1.0000 -0.0400 -0.80000.0010 0 -0.0010 -0.0200得出结果能控型判别矩阵的秩为2，故而该系统是完全可控的，故可以对其进行状态反馈设计。

（2）求取状态反馈器中的K，设的期望特征根为-7，-9；其设计程序如下：>> A=[-0.8 0.02;-0.02 0];B=[0.05 1;0.001 0];P=[-7 -9];k=place(A,B,P)k =1.0e+003 *-0.0200 9.00000.0072 -0.4500程序中所求出的k即为所求状态反馈控制器的状态反馈矩阵，即由该状态反馈矩阵所构成的状态反馈控制器能够满足题目要求。

2、（a）要求求该系统的能控型矩阵，并验证该系统是不能控的。

设计程序：>> A=[0 1 0 0 0;-0.1 -0.5 0 0 0;0.5 0 0 0 0;0 0 10 0 0;0.5 1 0 0 0];>> B=[0;1;0;0;0];>> C=[0 0 0 1 0];>> Qc=ctrb(A,B)Qc =0 1.0000 -0.5000 0.1500 -0.02501.0000 -0.5000 0.1500 -0.0250 -0.00250 0 0.5000 -0.2500 0.07500 0 0 5.0000 -2.50000 1.0000 0 -0.1000 0.0500>> Rc=rank(Qc)Rc =4从程序运行的结果可得，系统能控型判别矩阵的秩为4，而系统为5阶系统，故而就验证了该系统为不可控的。

实验四 Stability analysis of linear systems线性系统稳定性分析一、实验目的1．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。

2．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。

二、基础知识及MATLAB 函数注意：routh （）和hurwitz （）不是MATLAB 中自带的功能函数，(在共享文件夹里有劳斯判据和赫尔维茨判据的m 文件，把其中的routh.m 和hurwitz .m 放到MATLAB 文件夹下的work 文件夹中才能运行)。

1）直接求根判稳roots()控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均具有负实部。

因此，为了判别系统的稳定性，就要求出系统特征方程的根，并检验它们是否都具有负实部。

MATLAB 中对多项式求根的函数为roots()函数。

若求以下多项式的根24503510234++++s s s s ，则所用的MATLAB 指令为： >> roots([1,10,35,50,24])ans =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000特征方程的根都具有负实部，因而系统为稳定的。

2）劳斯稳定判据routh （）劳斯判据的调用格式为：[r, info]=routh(den)该函数的功能是构造系统的劳斯表。

其中，den 为系统的分母多项式系数向量，r 为返回的routh 表矩阵，info 为返回的routh 表的附加信息。

以上述多项式为例，由routh 判据判定系统的稳定性。

>> syms EPS den=[1,10,35,50,24]; ra=routh(den,EPS) r=1 35 24 10 50 0 30 24 0 42 0 0 24 0 0 info=[ ]由系统返回的routh 表可以看出，其第一列没有符号的变化，系统是稳定的。

3）赫尔维茨判据hurwitz （）赫尔维茨的调用格式为：H=hurwitz （den ）。

题 目实验三 典型三阶系统动态性能和稳定性分析年级专业班级组别姓名（学号）日期实验三 典型三阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1．学习和掌握三阶系统动态性能指标的测试方法。

2．观察不同参数下典型三阶系统的阶跃响应曲线。

3. 研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。

二、实验内容观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。

三、实验原理任何一个给定的线性控制系统，都可以分解为若干个典型环节的组合。

将每个典型环节的模拟电路按系统的方框图连接起来，就得到控制系统的模拟电路图。

典型三阶系统的结构图如图25所示：图25 典型三阶系统的结构图其开环传递函数为23()(1)(1)K G s S T s T s =++，其中1234K K KK T =，三阶系统的模拟电路如图26所示：题目实验三典型三阶系统动态性能和稳定性分析年级专业班级组别姓名（学号）日期图26三阶闭环系统模拟电路图模拟电路的各环节参数代入G(s)中，该电路的开环传递函数为：SSSKSSSKSG++=++=236.005.0)15.0)(11.0()(该电路的闭环传递函数为：KSSSKKSSSKS+++=+++=236.005.0)15.0)(11.0()(φ闭环系统的特征方程为：06.005.0,0)(123=+++⇒=+KSSSSG特征方程标准式：032213=+++aSaSaSa根据特征方程的系数，建立得Routh行列表为：6.005.06.06.0105.012331321131223KSKSKSSaSaaaaaSaaSaaS-⇒-为了保证系统稳定，劳斯表中的第一列的系数的符号都应相同，所以由ROUTH 稳定判据判断，得系统的临界稳定增益K=12。

⎪⎩⎪⎨⎧>>-6.005.06.0KK题目实验三典型三阶系统动态性能和稳定性分析年级专业班级组别姓名（学号）日期即：⎪⎩⎪⎨⎧<⇒>=⇒=Ω>⇒<<系统不稳定系统临界稳定系统稳定41.7KΩR12K41.7KΩR12K7.4112KKR三、实验步骤1、按照实验原理图接线，设计三阶系统的模拟电路2、改变RX的取值，利用上位机软件仿真功能，获取三阶系统各种工况阶跃响应曲线。

《信号与系统》课程实验报告《信号与系统》课程实验报告一图1-1 向量表示法仿真图形2．符号运算表示法若一个连续时间信号可用一个符号表达式来表示，则可用ezplot命令来画出该信号的时域波形。

上例可用下面的命令来实现（在命令窗口中输入，每行结束按回车键）。

t=-10:0.5:10;f=sym('sin((pi/4)*t)');ezplot(f,[-16,16]);仿真图形如下：图1-2 符号运算表示法仿真图形三、实验内容利用MATLAB实现信号的时域表示。

三、实验步骤该仿真提供了7种典型连续时间信号。

用鼠标点击图0-3目录界面中的“仿真一”按钮，进入图1-3。

图1-3 “信号的时域表示”仿真界面图1-3所示的是“信号的时域表示”仿真界面。

界面的主体分为两部分：1) 两个轴组成的坐标平面（横轴是时间，纵轴是信号值）；2) 界面右侧的控制框。

控制框里主要有波形选择按钮和“返回目录”按钮，点击各波形选择按钮可选择波形，点击“返回目录”按钮可直接回到目录界面。

图1-4 峰值为8V，频率为0.5Hz，相位为180°的正弦信号图1-4所示的是正弦波的参数设置及显示界面。

在这个界面内提供了三个滑动条，改变滑块的位置，滑块上方实时显示滑块位置代表的数值，对应正弦波的三个参数：幅度、频率、相位；坐标平面内实时地显示随参数变化后的波形。

在七种信号中，除抽样函数信号外，对其它六种波形均提供了参数设置。

矩形波信号、指数函数信号、斜坡信号、阶跃信号、锯齿波信号和抽样函数信号的波形分别如图1-5～图1-10所示。

图1-5 峰值为8V，频率为1Hz，占空比为50%的矩形波信号图1-6 衰减指数为2的指数函数信号图1-7 斜率=1的斜坡信号图1-8 幅度为5V，滞后时间为5秒的阶跃信号图1-9 峰值为8V，频率为0.5Hz的锯齿波信号图1-10 抽样函数信号仿真途中，通过对滑动块的控制修改信号的幅度、频率、相位，观察波形的变化。

系解实验报告结论引言在本次实验中，我们通过对不同类型的线性系统进行系统解析的实验研究，旨在进一步加深对线性系统系统解析的理解和掌握。

实验设计了三个不同类型的线性系统，并使用Matlab软件进行仿真和模拟实验。

本报告将对实验结果进行详细的分析和总结，得到实验的结论。

结论经过实验的研究和分析，我们得出了以下结论：1. 线性系统的稳定性对系统的工作性能有重要影响。

在本次实验中，我们研究了连续线性系统和离散线性系统的稳定性。

通过分析系统的特征方程和极点位置，我们可以判断系统的稳定性。

在系统的稳定性分析过程中，我们发现，连续系统的稳定性与极点的实部有关，而离散系统的稳定性与极点的模长有关。

稳定的系统能够保持稳定的输出，从而保证系统的正常工作。

2. 滤波器在信号处理中起着关键作用。

我们在实验中设计了一个模拟滤波器，并对不同类型的信号进行了滤波处理。

通过滤波器的设计和仿真实验，我们发现滤波器能够滤除不需要的频率分量和噪声，并突出需要的信号。

这使得我们能够更好地进行信号处理和分析，提高了系统的工作性能。

3. 频率响应是分析和设计系统的重要方法之一。

在实验中，我们通过绘制系统的频率响应曲线，观察系统在不同频率下的特性。

我们发现，频率响应曲线能够直观地反映系统的增益特性和相位特性。

通过对频率响应曲线的分析，我们可以了解系统的频率选择性、频率放大性和相位延迟等特性。

这对系统的设计和优化具有重要意义。

4. 噪声对系统的性能影响较大。

在实验中，我们引入了不同强度的噪声信号，观察系统的输出变化。

我们发现，噪声信号会造成系统的输出波形扭曲和信噪比下降。

这使得系统的工作性能受到了一定的影响。

为了提高系统的抗噪能力，我们需要采取相应的滤波和抗干扰措施，从而降低噪声对系统的影响。

5. 实验中使用的Matlab软件是进行系统解析和仿真的重要工具。

通过Matlab 软件，我们可以方便地进行系统参数的设置和修改，进行系统的频域分析和时域仿真。

实验二线性系统分析一、实验目的通过实验，掌握线性系统的特性和分析方法，了解系统的幅频特性和相频特性。

二、实验原理1.线性系统线性系统是指遵循叠加原理和比例原理的系统，可以表示为y(t)=h(t)⊗x(t)，其中h(t)为系统的冲激响应，x(t)为输入信号，y(t)为输出信号，⊗为线性卷积操作。

2.系统的频域特性系统的频域特性可以通过离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，简称DFT）来进行分析，DFT是将离散时间域信号变换到离散频域的方法。

3.系统的幅频特性系统的幅频特性描述了输出信号的幅度随频率变化的规律，可以通过对系统的单位冲激响应进行DFT来得到。

4.系统的相频特性系统的相频特性描述了输出信号的相位随频率变化的规律，可以通过对系统的单位冲激响应进行DFT来得到。

三、实验步骤1.准备工作：a.将信号发生器的频率设置为100Hz，幅度设置为5V。

b.将示波器的触发模式设置为自动，并调节水平位置使信号波形居中显示。

2.测量系统的幅频特性：a.将信号发生器的输出信号连接到线性系统的输入端口，将示波器的通道1连接到线性系统的输入端口，将示波器的通道2连接到线性系统的输出端口。

b.调节示波器的时间基准使波形显示在适当的范围内。

c.调节信号发生器的频率和示波器的触发模式，观察输入信号和输出信号的波形。

d.在示波器中进行幅度测量，并记录下输入信号和输出信号的幅值。

e.使用DFT算法对输入信号和输出信号进行频谱分析，得到幅频特性曲线。

f.绘制输入信号和输出信号的幅频特性曲线，并进行比较和分析。

3.测量系统的相频特性：a.调节信号发生器的频率和示波器的触发模式，观察输入信号和输出信号的相位差。

b.在示波器中进行相位测量，并记录下输入信号和输出信号的相位。

c.使用DFT算法对输入信号和输出信号进行频谱分析，得到相频特性曲线。

d.绘制输入信号和输出信号的相频特性曲线，并进行比较和分析。

第1篇实验名称：仿真软件操作实验实验目的：1. 熟悉仿真软件的基本操作和界面布局。

2. 掌握仿真软件的基本功能，如建模、仿真、分析等。

3. 学会使用仿真软件解决实际问题。

实验时间：2023年X月X日实验地点：计算机实验室实验器材：1. 仿真软件：XXX2. 计算机一台3. 实验指导书实验内容：一、仿真软件基本操作1. 打开软件，熟悉界面布局。

2. 学习软件菜单栏、工具栏、状态栏等各个部分的功能。

3. 掌握文件操作，如新建、打开、保存、关闭等。

4. 熟悉软件的基本参数设置。

二、建模操作1. 学习如何创建仿真模型，包括实体、连接器、传感器等。

2. 掌握模型的修改、删除、复制等操作。

3. 学会使用软件提供的建模工具，如拉伸、旋转、镜像等。

三、仿真操作1. 设置仿真参数，如时间、步长、迭代次数等。

2. 学习如何进行仿真，包括启动、暂停、继续、终止等操作。

3. 观察仿真结果，包括数据、曲线、图表等。

四、分析操作1. 学习如何对仿真结果进行分析，包括数据统计、曲线拟合、图表绘制等。

2. 掌握仿真软件提供的分析工具，如方差分析、回归分析等。

3. 将仿真结果与实际数据或理论进行对比，验证仿真模型的准确性。

实验步骤：1. 打开仿真软件，创建一个新项目。

2. 在建模界面，根据实验需求创建仿真模型。

3. 设置仿真参数，启动仿真。

4. 观察仿真结果，进行数据分析。

5. 将仿真结果与实际数据或理论进行对比，验证仿真模型的准确性。

6. 完成实验报告。

实验结果与分析：1. 通过本次实验，掌握了仿真软件的基本操作，包括建模、仿真、分析等。

2. 在建模过程中，学会了创建实体、连接器、传感器等，并能够进行模型的修改、删除、复制等操作。

3. 在仿真过程中，成功设置了仿真参数，启动了仿真，并观察到了仿真结果。

4. 在分析过程中，运用了仿真软件提供的分析工具，对仿真结果进行了数据分析，并与实际数据或理论进行了对比，验证了仿真模型的准确性。

大连理工大学本科实验报告课程名称：自动控制原理实验A 学部：电子信息与电气工程专业：自动化辅修班级：学号：学生姓名：2017年 3 月9 日实验项目列表大连理工大学实验预习报告学院（系）：专业：班级：姓名：学号：组：___ 实验时间：实验室：实验台：指导教师签字：成绩：典型线性环节的模拟一、实验目的和要求二、实验原理和内容三、实验步骤1．比例环节模拟电路图及参数计算方法2．积分环节模拟电路图及参数计算方法3．比例积分环节模拟电路图及参数计算方法4．比例微分环节模拟电路图及参数计算方法5．微分环节的模拟电路图及参数计算方法6．比例积分微分环节模拟电路图及参数计算方法7．一阶惯性环节模拟电路图及参数计算方法四、实验数据记录表格1．比例环节2．积分环节3．比例积分环节4．比例微分环节5．比例微分积分环节6．一阶惯性环节大连理工大学实验报告学院（系）：专业：班级：姓名：学号：组：___ 实验时间：实验室：实验台：指导教师签字：成绩：典型线性环节的模拟一、实验目的和要求见预习报告二、实验原理和内容见预习报告三、主要仪器设备四、实验步骤与操作方法五、实验数据记录和处理1．比例环节的阶跃响应曲线2．积分环节的阶跃响应曲线3．比例积分环节的阶跃响应曲线4．比例微分环节的阶跃响应曲线5．微分环节的阶跃响应曲线6．比例积分微分环节的阶跃响应曲线7．惯性环节的阶跃响应曲线六、实验结果与分析七．思考题八、讨论、建议、质疑大连理工大学实验预习报告学院（系）：专业：班级：姓名：学号：组：___实验时间：实验室：实验台：指导教师签字：成绩：二阶系统的阶跃响应一、实验目的和要求二、实验原理和内容画出二阶系统的模拟电路图，如何通过改变电路中的阻、容值来改变二阶系统的参数？三、实验步骤1．在学习机上模拟二阶系统，仔细连线，不要发生错误2．取二阶系统的阻尼比ζ=0.2，时间常数T=0.47秒，求二阶系统的单位阶跃响应3．取二阶系统的阻尼比ζ=0.2，时间常数T=1.47秒，求二阶系统的单位阶跃响应4．取二阶系统的阻尼比ζ=0.2，时间常数T=1.0秒，求二阶系统的单位阶跃响应5．取二阶系统的阻尼比ζ=0.4，时间常数T=1.0秒，求二阶系统的单位阶跃响应6．取二阶系统的阻尼比ζ=0.7，时间常数T=1.0，求二阶系统的单位阶跃响应7．取二阶系统的阻尼比ζ=1，时间常数T=1.0，求二阶系统的单位阶跃响应四、实验数据记录大连理工大学实验报告学院（系）：专业：班级：姓名：学号：组：___ 实验时间：实验室：实验台：指导教师签字：成绩：二阶系统的阶跃响应一、实验目的和要求见预习报告二、实验原理和内容见预习报告三、主要仪器设备四、实验步骤与操作方法五、实验数据记录和处理标示出每条曲线的峰值、峰值时间、调整时间，计算最大超调量。