控制工程基础仿真实验

机械工程控制基础MATLAB分析与设计仿真实验报告一、实验目的：1.学习并掌握MATLAB软件的基本使用方法；2.了解机械工程控制的基本概念和理论知识；3.分析并设计机械工程控制系统的仿真模型。

二、实验内容：1.使用MATLAB软件绘制机械工程控制系统的block图；2.使用MATLAB软件进行机械工程控制系统的数学建模和仿真；3.使用MATLAB软件对机械工程控制系统进行性能分析和优化设计。

三、实验步骤：1.打开MATLAB软件，并创建一个新的m文件；2.根据机械工程控制系统的控制原理，绘制系统的block图；3.根据系统的block图，使用MATLAB软件进行数学建模，并编写相应的代码；4.对机械工程控制系统进行仿真，并分析仿真结果；5.根据仿真结果，优化系统参数，并重新进行仿真。

四、实验结果分析：通过对实验步骤的操作，我们得到了机械工程控制系统的仿真结果。

根据仿真结果，我们可以对系统的性能进行分析和评估。

通过与系统要求相比较，可以发现系统存在响应速度较慢、稳态误差较大等问题。

在实验中，我们根据分析结果对系统进行了优化设计，并重新进行了仿真。

优化设计的目标是改善系统的性能，使其更接近于理想的控制效果。

通过对系统的参数进行调整和调节，我们成功地改善了系统的性能。

五、实验总结：通过本次实验，我们学习了MATLAB软件的基本使用方法，并了解了机械工程控制的基本概念和理论知识。

我们通过对机械工程控制系统的仿真，实现了对系统性能的分析和优化设计。

在实验过程中，我们遇到了一些问题，例如如何选择合适的参数和调节控制量等。

通过查阅相关资料和与同学的交流讨论，我们成功地解决了这些问题，同时加深了对机械工程控制的理解。

通过本次实验，我们不仅掌握了MATLAB软件的基本使用方法，还加深了对机械工程控制的理解。

这对我们今后从事相关工作和开展相关研究都具有重要的指导和帮助作用。

控制工程基础仿真实验一．实验目的通过仿真实验，直观了解各典型环节的时间响应和频率响应，巩固课程中所学的基本概念和基本原理。

二．实验要求学生可自由组合，1至3人一组，要求根据实验内容，完成计算机仿真实验，并对仿真结果进行分析, 撰写实验报告。

三．实验内容（课程教材所附光盘中的仿真实验）实验1. 一阶系统的单位脉冲响应输入5个不同的时间常数，观察一阶系统单位脉冲响应曲线的变化，分析时间常数T 对系统性能的影响。

实验2. 一阶系统的单位阶跃响应（1） 输入3个不同的时间常数，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，将响应曲线绘制在坐标纸上，并分析时间常数T 对系统性能的影响。

（2） 若通过实验已测得一阶系统的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系统的时间常数T 。

实验3. 二阶系统的单位脉冲响应保持系统的无阻尼固有频率2=n ω不变，改变系统的阻尼比ξ为0.1，0.5，0.7，1和2，观察系统的响应曲线变化情况，并分析阻尼比ξ如何影响系统的性能。

实验4. 二阶系统的单位阶跃响应保持系统的无阻尼固有频率5=n ω不变，改变系统的阻尼比ξ为0.1，0.5，0.7，1和2，观察系统的响应曲线变化情况，将响应曲线绘制在坐标纸上，并分析阻尼比ξ如何影响二阶系统的性能。

实验5. Nyquist 图分别绘制下列开环传递函数的Nyquist 图，并分析相应闭环系统的稳定性。

（1）121.006.0105.0)(2+++=s s s s G （2）s s s G 2.01)(−= （3）1029)(−=s s G实验6. Bode 图 已知系统开环传递函数为)5)(1()(++=s s s K s G ，当K 的取值为1，10，100和1000时，试用所产生的Bode图判定相应闭环系统的稳定性，并分析K的取值如何影响闭环系统的相对稳定性。

四．实验报告学生根据仿真实验的结果，撰写实验报告。

报告内容包括：实验目的、实验要求、实验内容、实验过程、结果及分析等。

控制理论基础仿真实验学院班级姓名学号2012年1月实验一：频率特性的绘制及频率法校正实验一、实验目的1、绘制典型环节的Bode图；2、绘制一般系统的Bode图并求出该系统的相位稳定裕量和幅值稳定裕量；3、设计引前校正环节并绘制Bode图；4、设计滞后校正环节并绘制Bode图。

二、实验环境(1)操作系统：WINDOWS2000 或以上；(2)软件环境：MA TLAB6.1及其以上；(3)VGA、SVGA显卡，分辨率800╳600或以上；(4)内存128M或以上，硬盘25G或以上；(5)鼠标。

三、实验原理与要求1、典型环节的传递函数：1）、比例环节：K （K=10、K=30）2）、惯性环节：1/（Ts + 1） (T=0.1、T=1)3）、积分环节：1/s4）、微分环节：s试观察典型环节BODE图形状，及参数变化时对BODE图的影响。

答：K变化，副频特性会抬高或降低，相频特性没有影响。

T1、T2变化会影响曲线转折的位置。

2、系统开环传递函数1）、0型系统：k / ( T2s + 1 ) 、k / {( T1s + 1 )( T2s + 1 )}2）、1型系统：k / s ( T2s + 1 ) 、k ( T1s + 1 ) / {s ( T2s + 1 )}3）、2型系统：k ( T1s + 1 ) / { s2 ( T2s + 1 )}其中：T1=0.1、T2=1、K=10，试根据Bode图比较上述各幅频和相频特性曲线有什么变化。

3、校正演示实验软件给出一个引前校正演示试验以便同学熟悉环境。

演示试验的传递函数是4 K / { s ( s + 2 ) }。

同学可以点击按钮“校正前BODE图”、“校正后BODE图”和“校正前后比较”来观察校正的效果。

4、联引前校正这部分就要求同学自己选择校正装置的参数。

其中未校正系统传递函数：10 / { s2 ( 0.2 s + 1) } 要求校正后系统的相位裕量不小于350。

本科生课程论文控制工程基础仿真实验报告实验一一阶系统的单位阶跃响应一、实验目的1、学会使用ATLABM编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线；2、掌握准确读取动态特征指标的方法；3、研究时间常数T对系统性能的影响；4、掌握一阶系统11Ts+时间响应分析的一般方法；5、通过仿真实验，直观了解各典型环节的时间响应和频率响应，巩固课程中所学的基本概念和基本原理；二、实验要求1、输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。

2、若通过实验已测得一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系统的时间常数T。

三、实验内容（一）实验设备计算机；WINDOWS操作系统，并安装Matlab语言编程环境。

（二）实验原理通过对各种典型环节的仿真实验，可以直观的看到各种环节的时间响应和频率响应的图像。

通过对所得图像的分析可以得出各种参数如何影响系统的性能。

四、实验过程在Matlab平台对一阶系统11Ts+的单位阶跃响应进行仿真。

（1）输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。

在Matlab中进行操作，其代码如下：1.num=1;2.den=[11];3.g=tf(num,den)4.5.g =6.7.18. -----9. s + 110.11.Continuous-time transfer function.12.13.>> step(g)14.hold on15.>> step(tf(1,[21]))16.>> step(tf(1,[41]))17.>> legend('T=1','T=2','T=4');（2）对于已测得的一阶系统的单位阶跃响应曲线，分析通过该曲线确定系统的时间常数T的方法。

《控制工程基础》实验报告姓名欧宇涵 914000720206周竹青 914000720215 学院教育实验学院指导老师蔡晨晓南京理工大学自动化学院2017年1月实验1：典型环节的模拟研究一、实验目的与要求：1、学习构建典型环节的模拟电路；2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响；3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。

二、实验内容：完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。

三、实验步骤与方法（1）比例环节图1-1 比例环节模拟电路图比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中12R RK =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。

步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。

2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。

调节完成后恢复初始。

3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。

4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。

5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。

图1-2 比例环节阶跃响应（2）积分环节图1-3 积分环节模拟电路图积分环节的传递函数为：ST V V I I O 1-=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1µf 。

步骤：同比例环节，采集数据如下图。

图1-4 积分环节阶跃响应（3）微分环节图1-5 微分环节模拟电路图200KRV IVoC2CR 1V IVo200K微分环节的传递函数为：K S T S T V V D D I O +-=1，其中 T D =R 1C 、K=12R R。

参数取：R 1=100K ，R 2=200K ，C=1µf 。

步骤：同比例环节，采集数据如下图。

图1-6 微分环节阶跃响应（４）惯性环节图1-7 惯性环节模拟电路图惯性环节的传递函数为：1+-=TS K V V I O ，其中2T R C =,21RK R =-。

实验一典型环节阶跃响应一、实验目的1.掌握控制系统模拟实验的基本原理和方法；2.掌握典型环节阶跃响应曲线的测量和分析方法。

二、实验仪器1. XK-KL1型自动控制系统实验箱一台2.计算机一台三、实验原理控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后可按给定的系统电路图将其连接，以获得相应的模拟系统；再将输入信号加到模拟系统的输入端，利用计算机测量系统的输出，便可获得系统的响应曲线及性能指标，若改变系统参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验内容构建下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1.比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）= -R2/R12.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。

G（S）= - K/TS+1K=R2/R1，T=R2C3.积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。

G（S）=1/TST=RC4.微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。

G（S）= - RCS5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。

G（S）= -K（TS+1）K=R2/R1，T=R2C6. 比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。

G（S）=K（1+1/TS）K=R2/R1，T=R2C五、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

比例环节3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。

5.鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。

在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

控制工程基础[英]实验实验一.典型环节的模拟研究：已知一个小车、倒单摆系统非线性系统方程为：( 2.92)0.008x x u =-+20.004sin 36cos n n x θωθωθθ=-+-其中假设 (0)0;(0)0.2x x ==，(0)0;(0); 6.781,n θθπω===（1）要求绘出系统[0,10]t ∈的状态响应曲线（2）并将上述系统在0θ≈的条件下线性化，并要求绘出线性化后系统[0,10]t ∈的状态响应曲线，并与非线性系统状态响应曲线相比较。

(1)下面利用Simulink 对该系统进行仿真如下图所示。

图1.倒单摆系统仿真图在图中已经对主要信号进行了标注下面给出每个未标注信号后加入放大器的增益：008.092.2=阶跃K 008.01-=一阶微分x K 98.45=二阶微分θK通过示波器Scope 和Scope1观察x(t)和θ(t)的波形图如下所示。

图2.x(t)波形图3.θ(t)波形（2）将上述系统在0θ≈的条件下线性化，则方程组改写成如下形式：( 2.92)0.008x x u=-+20.004sin36n n xθωθωθ=-+-在Simulink中对系统仿真如下所示。

图4.线性化后仿真系统通过示波器模块可以观察输出信号，图形如下图所示。

图5.x(t)输出波形图6.θ（t ）输出波形实验二.典型系统时域响应动、静态性能和稳定性研究； 已知系统的开环传递函数为2()11G s s s =++（1）利用已知的知识判断该开环系统的稳定性（系统的特征方程根、系统零极点表示法）。

（2）判别系统在单位负反馈下的稳定性，并求出闭环系统在[0,10]t ∈内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘制出相应响应曲线。

（1）该系统的特征方程的根、零极点表示的求解代码如下：输出结果如下图所示。

图7.特征方程求根结果图8.零极点分布图从图中可以看出两个极点在虚轴上，所以该系统处于临界稳定状态。

《控制工程基础》MATLAB仿真实验指导书邵阳学院机械与能源工程系机制教研室2009年8月目录实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 (1)实验二一、二阶系统时域特性分析 (6)实验三控制系统频域特性分析 (8)实验四控制系统稳定性仿真 (11)实验五控制系统校正及PID仿真 (15)21实验一 控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析一、 实验目的1. 掌握MATLAB 软件使用的基本方法；2. 熟悉MATLAB 的数据表示、基本运算和程序控制语句；3. 熟悉MATLAB 程序设计的基本方法。

4.学习用MATLAB 创建控制系统模型。

二、 实验原理1. MATLAB 的基本知识MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory ）之意。

MATLAB 具有卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB 来解算问题要比用C,FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多。

当MATLAB 程序启动时，一个叫做MATLAB 桌面的窗口出现了。

默认的MATLAB 桌面结构如下图所示。

在MATLAB 集成开发环境下，它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。

在MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有：命令窗口（The Command Window ）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符(>>)后输入一系列的命令，回车之后执行这些命令，执行的命令也是在这个窗口中实现的。

命令历史窗口（The Command History Window ）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。

即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。

这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。

控制工程基础实验报告实验一 典型环节及其阶跃响应实验目的1．学习构成典型环节的模拟电路。

2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

3．学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

4．熟悉仿真分析软件。

实验内容各典型环节的模拟电路如下：1. 比例环节 12)(R R s G -=2. 惯性环节 RC T Tss G =-=1)(3. 积分环节 1221)(R R K C R T Ts Ks G ==+-=4. 微分环节 RCs s G -=)(改进微分环节1)(12+-=Cs R Cs R s G 5. 比例微分环节)41()(212s C R R R s G +-=实验步骤1．用Workbench 连接好比例环节的电路图，将阶跃信号接入输入端，此时使用理想运放;2．用示波器观察输出端的阶跃响应曲线，测量有关参数;改变电路参数后，再重新测量,观察曲线的变化。

3． 将运放改为实际元件，如采用“LM741",重复步骤2。

5．仿真其它电路，重复步骤2，3，4。

实验总结通过这次实验，我对典型环节的模拟电路有了更加深刻的了解,也熟悉了各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响；熟悉仿真分析软件。

这对以后的控制的学习有很大的帮助。

实验二 二阶系统阶跃响应实验目的1． 研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率ωn 对系统动态性能的影响。

2． 学会根据阶跃响应曲线确定传递函数，熟悉二阶系统的阶跃响应曲线。

实验内容二阶系统模拟电路如图： 1)/(1)(12222++-=RCs R R s C R s G 思考：如何用电路参数表示ξ和ωn实验步骤1． 在workbench 下连接电路图；将阶跃信号接入输入端，用示波器观测记录响应信号；2．取ωn=10rad/s,即令R=100K,C=1uf ：分别取ξ=0，0.25,0.5,0.7,1,2, 即取R1=100K,考虑R2应分别取何值，分别测量系统阶跃响应，并记录最大超调量δp%和调节时间ts 。

控制工程基础实验姓名：专业：机电班级：02 学号：1003120225实验一：比较二阶系统在不同阻尼比下的时间响应一、实验目的1.熟悉MA TLAB软件环境，学会编写matlab文件（***.m）和使用SIMULINK建模，进行时间响应分析。

二、实验要求1.编写m文件，使用命令sys=tf(num,den)，建立二阶系统的传递函数模型；2.编写m文件，使用命令impulse(sys)，画出二阶系统在不同阻尼比下的脉冲响应曲线簇；3.编写m文件，使用命令step(sys)，画出二阶系统在不同阻尼比下的阶跃响应曲线簇；4.根据阶跃响应曲线，记录不同阻尼比下的时域性能指标，列表写出实验报告，并分析阻尼比和无阻尼自然频率对于性能的影响；5.利用SIMULINK建立方框图仿真模型，进行阶跃响应实验，学会使用workspace的数组变量传递，使用命令plot(X,Y)画出阶跃响应图。

三、实验过程1.编写m文件，使用命令sys=tf(num,den)，建立二阶系统的传递函数模型M文件如下：clear;clc;num=[1];den=[1 2 1];sys=tf(num,den)运行结果：Transfer function:1-------------s^2 + 2 s + 12.编写m文件，使用命令impulse(sys)，画出二阶系统在不同阻尼比下的脉冲响应曲线簇M文件如下：clear;clc;k=1;xi=[0.1 0.4 0.8 1 5 8];wn=1;for i=1:length(xi);sys=tf([k*wn^2],[1 2*xi(i)*wn wn^2]);impulse(sys);hold on;endhold offgrid运行结果：3.编写m文件，使用命令step(sys)，画出二阶系统在不同阻尼比下的阶跃响应曲线簇M文件如下：clear;clc;k=1;xi=[0.1 0.4 0.8 1 5 8];wn=1;for i=1:length(xi);sys=tf([k*wn^2],[1 2*xi(i)*wn wn^2]);step(sys);hold on;endhold offgrid运行结果：4.根据阶跃响应曲线，记录不同阻尼比下的时域性能指标，列表写出实验报告，并分析阻尼比和无阻尼自然频率对于性能的影响利用时域响应特性函数function [tr,tp,mp,ts,td]=texing(sys,xi,m,n)求得系统在不同阻尼比xi下阶跃响应的时域特性指标（texing函数见附录）。