《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100aK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；
远程教育研究 …ｕ～・ ｕ Ｃｈｌｎａ Ｅｄｕｃａｔｌｏｎ ｌｎｎｏｖｓｔｌｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真在计算机控制技术课程教学中的应用①
杨蜀秦 （西北农林科技大学机电学院 陕西杨凌 ７１ ２１ ＯＯ）
摘要；仿真软件与专业课程结合的是现代教学发展的重要方向。本文分析了ＭＡＴＬＡＢ仿真软件Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在课程教学中应用的特点，并通 过实例展示ｓｉｍｎＩｉｎｋ仿真对于计算机控制技术教学在直观性、灵活性等方面的优势。 关键词：ＭＡＴＬＡＢ仿真 计算机控制技术 教学 中图分类号：Ｇ６４ ２．０ 文献标识码：Ａ 文章编号：Ｉ６７３—９７９５（２０１ ３）１２（ｂ）一０１ ５９－－０２
Ｔｈｅ Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ
ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｙａｎｇ Ｓｈｕｑｉｎ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ Ｓｈａｎｘｉ，７１２１００ Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ ｃｏｕｒｓｅｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｉｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ａｎ ｉｎｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＭＡＴＬＡＢ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌ Ｔｅａ１ｅｈｉｎｇ
MATLAB工程计算和仿真案例分析
第一章：MATLAB的基础知识与编程技巧
在工程计算和仿真领域中，MATLAB是一种广泛使用的软件工具。本章将介绍MATLAB的基础知识和编程技巧，为后续的案例分析打下基础。
1.1 MATLAB的安装和配置
在使用MATLAB之前，首先需要将其正确地安装在计算机上，并根据需要进行相关的配置。本节将介绍如何下载、安装和配置MATLAB软件。
1.2 MATLAB的基本语法和命令
MATLAB具有简洁而强大的编程语法和丰富的函数库，能够快速实现各种工程计算和仿真任务。本节将介绍MATLAB的基本语法和常用命令，比如变量的定义与赋值、数学运算、矩阵操作等。
1.3 MATLAB的脚本文件和函数文件
在实际应用中，通常需要编写包含多行MATLAB命令的脚本文件或函数文件。本节将介绍如何编写和调用这些文件，以便更好地组织和管理代码。
第二章：MATLAB在工程计算中的应用 本章将以几个具体的案例来演示MATLAB在工程计算中的应用。从结构分析、信号处理到优化设计，MATLAB都可以提供强大的功能和灵活性。
2.1 结构分析案例
结构分析是工程领域中重要的一部分，用于评估和优化工程结构的性能。本节将介绍如何使用MATLAB进行结构分析，比如求解静力学和动力学问题，计算应力和变形等。
2.2 信号处理案例
信号处理在许多应用领域中都扮演着重要角色，比如通信、音频处理等。本节将介绍如何使用MATLAB进行信号处理，包括滤波、频谱分析、傅里叶变换等。
2.3 优化设计案例
在工程设计中，优化是一个关键的任务，旨在寻找最优的设计方案。本节将介绍如何使用MATLAB进行优化设计，包括单目标和多目标优化问题的求解，约束条件的处理等。
第三章：MATLAB在工程仿真中的应用
本章将以几个具体的案例来演示MATLAB在工程仿真中的应用。从系统仿真、控制系统设计到电路仿真，MATLAB具有丰富的工具箱和函数，为仿真提供了强大的支持。 3.1 系统仿真案例
技篪盆 ＭＡＴＬＡＢ仿寅在自动控制类课程帕应用
湖北文理学院物理与电子工程学院杨海勇
［摘要］本文介绍了利用仿真软件ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ解决自动控制类课程中一些难点问题的方法。在控制系统的频域分析中，可 以方便绘制系统的伯德图和奈奎斯特曲线，在伯德图上能显示开环系统的幅值裕量与相位裕量，从而判断相应闭环系统的稳定性。 针对过程控制中的ＰＩＤ控制器参数整定的问题，用ＭＡＴＬＡＢ软件的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真分析，可以方便地修改控制器参数，得出高质 量的仿真结果。 ［关键词］ＭＡＴＬＡＢ仿真伯德图ＰＩＤ参数整定
｛ＭＡＴＬＡＢ及系统仿真》是自动化专业的一门重要专业基础课。仿 真软件ＭＡＴＬＡＢ具备卓越的数值计算能力和交互式的仿真环境，提供 了大量的内置函数，广泛地应用于科学计算、信息处理、控制系统等领 域的分析、仿真和设计工作。近年来，ＭＡＴＬＡＢ的应用逐渐盛行起来， 成为科研、教学、工程领域中不可缺少的助手。 对自动化专业来说，如何利用ＭＡＴＬＡＢ软件促进其它专业课程中 重点难点知识点的学习，是值得我们深入研究的课题。应重视理论与 实践相结合、ＭＡＴＬＡＢ仿真与其他专业课程相结合，着重培养学生分 析、解决问题的能力。本文以《自动控制原理》和《过程控制工程》这两 门自动化专业课为例，探讨在￣ＭＡＴＬＡＢ及系统仿真》课程中，利用 ＭＡＴＬＡＢ软件解决上述课程中难点问题的方法。 １．《自动控制原理》中的应用 《自动控制原理》课程涉及到控制系统的模型建立、系统分析、系统 设计等理论基础，其理论计算繁琐，绘图复杂，给学生的学习带来许多 困难。而利用ＭＡＴＬＡＢ进行仿真，借助软件强大的计算和绘图能力，能 直观地领会和理解相关分析方法，对课程的学习有很大的帮助。 在控制系统的频域分析中，可利用ｂｏｄｅ（）函数来绘制伯德图（对数 频率特性图），对数频率特性图包括对数幅频特性图和对数相频特性 图。横坐标均为频率ｗ，采用对数分度，单位为弧度，秒；纵坐标都是均 匀分度，幅频特性曲线的纵坐标为幅值函数２０１ｇＡ（ｗ），以ｄＢ表示；相频 特性曲线的纵坐标为相位，以度表示。 利用开环系统的幅值裕量和相位裕量，可以判断相应闭环系统的 稳定性。ｍａｒｇｉｎ（）函数可以求出系统的幅值裕量与相位裕量，该函数的 调用格式为： 【Ｇｍ，Ｐｍ，Ｗｃｇ，Ｗｃｐ］＝ｍａ￣ｉｎ（ｎｕｍ，ｄｅｎ）或【Ｇｍ，Ｐｍ，Ｗｃｇ，Ｗｃｐ】＝ｍａｒｇｉｎ（Ａ， Ｂ，Ｃ，Ｄ） 式中Ｇｍ和Ｐｍ分别为系统的幅值裕量和相位裕量，Ｗｃｇ和Ｗｃｐ分 别为幅值裕量和相位裕量处相应的频率值。 当不带输出变量引用时，ｍａｔｉｎ（）函数可以在当前图形窗口中绘制 出带有裕量及相应频率显示的Ｂｏｄｅ图，其中幅值裕度以分贝为单位。 调用格式为：ｍａ唧／１（１１１１／／１，ｄｅｎ）。 例如某系统的开环传递函数为：Ｇ（ ）Ｈ（ ）： — — 十Ｚｓ 十Ｓ十Ｕ． 利用ｂｏｄｅ（）函数可以方便的绘制系统的伯德图，ｍａｒｇｉｎ（）函数则可 以在伯德图中给出幅值裕量与相位裕量及相应频率显示。 Ｂｕｍ－－０．５：ｄｅｎ＝Ｊ１ ２ １ ０．５１； ｂｏｄｅ（ｎＩ／ＩＴＩ，ｄｅｎ） ｍａｒｇｉｎ（ｎｕｍ，ｄｅｎ）
