1-控制系统仿真与CAD课程实验指导书-060309

实验一MATLAB的实验环境及基本命令一实验目的：1．学习了解MA TLAB的实验环境2．在MA TLAB系统命令窗口练习有关MA TLAB命令的使用。

二实验步骤1．学习了解MA TLAB的实验环境：在Windows桌面上，用mouse双击MA TLAB图标，即可进入MA TLAB系统命令窗口：图1-1 MA TLAB系统命令窗口①在命令提示符”>>”位置键入命令:help此时显示MA T ALAB 的功能目录， 其中有“Matlab\general ”，“toolbox\control ”等；阅读目录的内容；② 键入命令：intro此时显示MA TLAB 语言的基本介绍，如矩阵输入、数值计算、曲线绘图等。

要求阅读命令平台上的注释内容，以尽快了解MA TLAB 语言的应用。

③ 键入命令：help help显示联机帮助查阅的功能，要求仔细阅读。

④ 键入命令：into显示工具箱中各种工具箱组件和开发商的联络信息。

⑤ 键入命令：demo显示MA TLAB 的各种功能演示。

2． 练习MA TLAB 系统命令的使用。

① 表达式MA TLAB 的表达式由变量、数值、函数及操作符构成。

实验前应掌握有关变量、数值、函数及操作符的有关内容及使用方法。

练习1-1: 计算下列表达式:要求计算完毕后，键入相应的变量名，查看并记录变量的值。

②．向量运算： )6sin(/250π=d 2/)101(+=a )sin(3.2-=e c i b 53+=n 维向量是由n 个成员组成的行或列数组。

在MA TLAB 中，由分号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；由逗号或空号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；同维的向量可进行加减运算，乘法须遵守特殊的原则。

练习1-2已知：X=[2 ；-4；8]求 ：Y=R ＇；P=5*R ；E=X .*Y ；S=X ＇* Y练习1-3⑴产生每个元素为1的4维的行向量；⑵产生每个元素为0的4维的列向量；⑶产生一个从1到8的整数行向量，默认步长为1；⑷产生一个从π到0，间隔为π/3的行向量；③矩阵基本运算操作。

《控制系统CAD 及仿真课程设计》任务书一、教学目标本课程设计是《控制系统CAD 及仿真》课程的综合设计实践环节。

它是为运用本课程所学知识、提高独立设计能力而进行的综合训练。

学生按照指导教师规定的题目和要求，完成控制系统的仿真建模、仿真算法、仿真设计和分析任务。

通过本课程设计，使学生深刻理解仿真原理和方法，掌握MA TLAB 平台下仿真算法的设计流程；进一步掌握SIMULINK 的模型与MATLAB 仿真程序的数据通讯方法。

从而提高学生的控制系统分析和设计能力，为学生今后从事控制系统研究工作打下良好的基础。

二、内容与要求课程设计内容1：采样控制系统的数字仿真实现要求学生分别采用差分方程递推求解法和连续部分按典型环节离散化法来设计采样控制系统的数字仿真程序，实现其仿真功能，绘出输出曲线。

（图中，11717.0172.2)(--+-=zz z D ） 课程设计内容2：PID 控制器的参数寻优要求学生设计PID 控制系统模型以及相应的参数整定仿真算法及程序，实现对系统参数的分析和完善。

在此基础上，基于单纯型寻优策略，设计PID 参数动态寻优仿真方案，三、教学文件与报告要求教学文件：张晓华主编.《控制系统数字仿真与CAD》（第二版）机械工业出版社.2004 课程设计报告内容包括：１仿真设计方案说明及论证；２设计所用仿真原理的说明；３仿真算法程序的说明；４模型构建、目标函数构建的方法；６系统运行状态调整及参数整定的说明７全部模型文件、程序文件以及仿真系统运行曲线和分析。

四、课程设计的考核与成绩评定办法学生在课程设计结束时提交课程设计报告。

内容围绕着设计任务书要求写。

成绩将根据课程设计情况和课设报告撰写情况进行综合考核。

《控制系统仿真与CAD》实验课程报告一、实验教学目标与基本要求上机实验是本课程重要的实践教学环节。

实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过上机加强学生的实验手段与实践技能，掌握应用MATLAB/Simulink 求解控制问题的方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质。

通过对MATLAB/Simulink进行求解，基本掌握常见控制问题的求解方法与命令调用，更深入地认识和了解MATLAB语言的强大的计算功能与其在控制领域的应用优势。

上机实验最终以书面报告的形式提交，作为期末成绩的考核内容。

二、题目及解答第一部分：MATLAB 必备基础知识、控制系统模型与转换、线性控制系统的计算机辅助分析1.>>f=inline('[-x(2)-x(3);x(1)+a*x(2);b+(x(1)-c)*x(3)]','t','x','flag','a','b','c');[t,x]=ode45(f,[0,100],[0;0;0],[],0.2,0.2,5.7);plot3(x(:, 1),x(:,2),x(:,3)),grid,figure,plot(x(:,1),x(:,2)),grid2.>>y=@(x)x(1)^2-2*x(1)+x(2);ff=optimset;rgeScale='off';ff.TolFun= 1e-30;ff.TolX=1e-15;ff.TolCon=1e-20;x0=[1;1;1];xm=[0;0;0];xM=[];A=[]; B=[];Aeq=[];Beq=[];[x,f,c,d]=fmincon(y,x0,A,B,Aeq,Beq,xm,xM,@wzhfc1,f f)Warning: Options LargeScale = 'off' and Algorithm ='trust-region-reflective' conflict.Ignoring Algorithm and running active-set algorithm. To runtrust-region-reflective, setLargeScale = 'on'. To run active-set without this warning, use Algorithm = 'active-set'.> In fmincon at 456Local minimum possible. Constraints satisfied.fmincon stopped because the size of the current search direction is less thantwice the selected value of the step size tolerance and constraints are satisfied to within the selected value of the constraint tolerance.<stopping criteria details>Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-20):lower upper ineqlin ineqnonlin2x =1.00001.0000f =-1.0000c =4d =iterations: 5funcCount: 20lssteplength: 1stepsize: 3.9638e-26algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search' firstorderopt: 7.4506e-09constrviolation: 0message: [1x766 char]3.(a) >> s=tf('s');G=(s^3+4*s+2)/(s^3*(s^2+2)*((s^2+1)^3+2*s+5)) G =s^3 + 4 s + 2------------------------------------------------------s^11 + 5 s^9 + 9 s^7 + 2 s^6 + 12 s^5 + 4 s^4 + 12 s^3Continuous-time transfer function.(b)>> z=tf('z',0.1);H=(z^2+0.568)/((z-1)*(z^2-0.2*z+0.99))H =z^2 + 0.568-----------------------------z^3 - 1.2 z^2 + 1.19 z - 0.99Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.4.>> A=[0 1 0;0 0 1;-15 -4 -13];B=[0 0 2]';C=[1 00];D=0;G=ss(A,B,C,D),Gs=tf(G),Gz=zpk(G)G =a =x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -15 -4 -13b =u1x1 0x2 0x3 2c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Continuous-time state-space model. Gs =2-----------------------s^3 + 13 s^2 + 4 s + 15Continuous-time transfer function. Gz =2---------------------------------(s+12.78) (s^2 + 0.2212s + 1.174)Continuous-time zero/pole/gain model.5.设采样周期为0.01s>> z=tf('z',0.01);H=(z+2)/(z^2+z+0.16)H =z + 2--------------z^2 + z + 0.16Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.6.>> syms J Kp Ki s;G=(s+1)/(J*s^2+2*s+5);Gc=(Kp*s+Ki)/s;GG=feedback(G*Gc,1)GG =((Ki + Kp*s)*(s + 1))/(J*s^3 + (Kp + 2)*s^2 + (Ki + Kp + 5)*s + Ki) 7.(a)>>s=tf('s');G=(211.87*s+317.64)/((s+20)*(s+94.34)*(s+0.1684));Gc=( 169.6*s+400)/(s*(s+4));H=1/(0.01*s+1);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),G z=zpk(GG)GG =359.3 s^3 + 3.732e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056----------------------------------------------------------------0.01 s^6 + 2.185 s^5 + 142.1 s^4 + 2444 s^3 + 4.389e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056Continuous-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 -218.5 -111.1 -29.83 -16.74 -6.671 -3.029 x2 128 0 0 0 0 0 x3 0 64 0 0 0 0 x4 0 0 32 0 0 0 x5 0 0 0 8 0 0 x6 0 0 0 0 2 0b =u1x1 4x2 0x3 0x4 0x5 0x6 0c =x1 x2 x3 x4 x5 x6 y1 0 0 1.097 3.559 1.668 0.7573d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gz =35933.152 (s+100) (s+2.358) (s+1.499)----------------------------------------------------------------------(s^2 + 3.667s + 3.501) (s^2 + 11.73s + 339.1) (s^2 + 203.1s + 1.07e04) Continuous-time zero/pole/gain model.(b)设采样周期为0.1s>>z=tf('z',0.1);G=(35786.7*z^2+108444*z^3)/((1+4*z)*(1+20*z)*(1+74.04 *z));Gc=z/(1-z);H=z/(0.5-z);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG) GG =-108444 z^5 + 1.844e04 z^4 + 1.789e04 z^3----------------------------------------------------------------1.144e05 z^5 +2.876e04 z^4 + 274.2 z^3 + 782.4 z^2 + 47.52 z + 0.5Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5x1 -0.2515 -0.00959 -0.1095 -0.05318 -0.01791x2 0.25 0 0 0 0x3 0 0.25 0 0 0x4 0 0 0.125 0 0x5 0 0 0 0.03125 0b =u1x1 1x2 0x3 0x4 0x5 0c =x1 x2 x3 x4 x5y1 0.3996 0.6349 0.1038 0.05043 0.01698d =u1y1 -0.9482Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time state-space model.Gz =-0.94821 z^3 (z-0.5) (z+0.33)---------------------------------------------------------- (z+0.3035) (z+0.04438) (z+0.01355) (z^2 - 0.11z + 0.02396) Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time zero/pole/gain model.8.>>s=tf('s');g1=1/(s+1);g2=s/(s^2+2);g3=1/s^2;g4=(4*s+2)/(s+1)^2;g5=50 ;g6=(s^2+2)/(s^3+14);G1=feedback(g1*g2,g4);G2=feedback(g3,g5);GG=3*fe edback(G1*G2,g6)GG =3 s^6 + 6 s^5 + 3 s^4 + 42 s^3 + 84 s^2 + 42 s---------------------------------------------------------------------------s^10 + 3 s^9 + 55 s^8 + 175 s^7 + 300 s^6 + 1323 s^5 + 2656 s^4 + 3715 s^3 + 7732 s^2 + 5602 s + 1400Continuous-time transfer function.>>s=tf('s');T0=0.01;T1=0.1;T2=1;G=(s+1)^2*(s^2+2*s+400)/((s+5)^2*(s^2 +3*s+100)*(s^2+3*s+2500));Gd1=c2d(G,T0),Gd2=c2d(G,T1),Gd3=c2d(G,T2),s tep(G),figure,step(Gd1),figure,step(Gd2),figure,step(Gd3)Gd1 =4.716e-05 z^5 - 0.0001396 z^4 + 9.596e-05 z^3 + 8.18e-05 z^2 - 0.0001289 z + 4.355e-05----------------------------------------------------------------z^6 - 5.592 z^5 + 13.26 z^4 - 17.06 z^3 + 12.58 z^2 - 5.032 z + 0.8521Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.Gd2 =0.0003982 z^5 - 0.0003919 z^4 - 0.000336 z^3 + 0.0007842 z^2 - 0.000766 z + 0.0003214----------------------------------------------------------------z^6 - 2.644 z^5 + 4.044 z^4 - 3.94 z^3 + 2.549 z^2 - 1.056 z + 0.2019Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd3 =8.625e-05 z^5 - 4.48e-05 z^4 + 6.545e-06 z^3 + 1.211e -05 z^2 - 3.299e-06 z + 1.011e-07---------------------------------------------------------------z^6 - 0.0419 z^5 - 0.07092 z^4 - 0.0004549 z^3 + 0.002495 z^2 - 3.347e-05 z + 1.125e-07Sample time: 1 secondsDiscrete-time transfer function.10.(a)>> G=tf(1,[1 2 1 2]);eig(G),pzmap(G) ans =-2.0000-0.0000 + 1.0000i-0.0000 - 1.0000i系统为临界稳定。

实验一 Matlab 使用数值方程求解和绘图练习一、实验目的1、熟悉Matlab 求解数值方程的方法2、掌握Matlab 进行二维和三维绘图的方法二、实验内容1、Matlab 进行系统数学模型描述、仿真算法定义的基本语法规则及用法。

2、Matlab 进行仿真时解算器的选择方法3、Matlab 进行绘制二维图、三维图的方法4、如何将数值方程的三维相轨迹通过Matlab 的方法计算出来三、实验步骤：1、已知Rossler 化学反应方程组如下[]⎪⎩⎪⎨⎧-+=+=--=)()()()()()()()()(t z c t x b t z t ay t x t yt z t y t x 选定a=b=0.2，c=5.7，创建匿名函数，将此方程组输入到Matlab 中2、选择合适的解算器，求解此微分方程组3、使用plot 命令，将x,y ,z 的时间响应曲线绘制出来4、使用plot3命令，绘制仿真结果的三维相轨迹5、绘制三维相轨迹在x-y 平面上的投影四、实验报告实验报告应包含每一个实验步骤的Matlab 命令和执行结果，将执行结果进行屏幕抓图打印后粘贴在实验报告上实验二 使用Matlab 求解控制系统解析解一、实验目的1、熟悉Matlab 输入控制系统的方法2、掌握Matlab 进行控制系统求解的方法二、实验内容1、将控制系统的数学模型输入Matlab 的方法2、使用Matlab 进行控制系统模型转换的方法3、使用Matlab 求解控制系统单位阶跃响应和单位脉冲响应的解析解的方法4、使用Matlab 求解控制系统对某一个函数的输入的响应解析解三、实验步骤：1、将以下的数学模型输入到Matlab 中去4032010958411812467284224494536546364032018576022208812266436380598251418)(2345678234567+++++++++++++++=s s s s s s s s s s s s s s s s G2、使用residue 命令，分别求出单位阶跃响应和单位脉冲响应的Y(s)的分子和分母多项式的系数3、列写出G(s)的零状态情况下，系统单位阶跃响应和单位脉冲响应的解析解4、求取u=sin(3t+5)的拉普拉斯变换5、求取G(s)零状态情况下，系统对u=sin(3t+5)响应的解析解四、实验报告实验报告应包含每一个实验步骤的Matlab 命令和执行结果，将每一步Matlab 的执行结果抄写在实验报告上。

写，均要求用标准Ａ４纸进行撰写，单栏排版，单面打印，并左侧装订，以便于报告最终的批阅与存档，（对于存在“逻辑混乱” 、“文字不清” 、“作图潦草” 、“排版混乱”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。

封页：（参考最后一页的“封页”格式）正文：（小四字体）仿真实验题目 1、 2、 3、 4、 5、五、思考题 1．在系统启动过程的第 2 阶段中，理想的电流特性为：实际值小于给定/设定值，试说明为何？引言原理/建模设计/分析/论述仿真实验/结果分析结论（思考题解答） 2．动态性能中，电流/转速特性的“超调量”与理论值是否有偏差？；如有偏差，试给出分析/解释。

3．在“双闭环直流电动机调速系统”中，电流调节器与速度调节器的输出都要设置“限幅” ，试说明：你是如何选取限幅值的？ 4．假设系统中的励磁电压减小/增加，试说明：系统转速将可能怎样变化？参考文献： [1] 张晓华主编《控制系统数字仿真与 CAD》第 3 版机械工业出版社 2009 [2] 张晓华主编《系统建模与仿真》清华大学出版社 2006 [3] 陈伯时主编《电力拖动自动控制系统》第 3 版机械工业出版社 2008 25
“控制系统数字仿真与CAD” 仿真实验报告姓班学名：级：号：联系电话： Email: 提交日期： 26。

《控制系统仿真与CAD》实验指导书朱品伟《控制系统仿真与CAD》实验指导书江苏理工学院电气信息工程学院朱品伟 2021.12实验一 Matlab使用方法和程序设计一、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绘图命令及基本绘图控制4、熟悉Matlab程序设计的基本方法二、实验内容 1、帮助命令使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法； 2、矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 求A^2*B。

（2）矩阵除法已知 A=[1 1 2;4 9 6;5 7 9]; B=[1 2 1;3 2 4;5 8 3]; 求A\\B,A/B。

（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i]; 求A.', A'。

（4）使用冒号选出指定元素已知： A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素；（5）方括号[]用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列。

3、多项式（1）求多项式的根（2）已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] 求矩阵A的特征多项式;求特征多项式中未知数为20时的值；把矩阵A作为未知数代入到多项式中； 4、基本绘图命令（1）绘制余弦曲线y=cos(t)，t∈[0，2π]（2）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)，t∈[0，2π] 5、基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的x1=10sint曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）坐标轴控制：显示范围、刻度线；（3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本； 6、基本程序设计（1）编写命令文件：计算1+2+…+n<2000时的最大n值；（2）编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到n次幂的和。

控制系统CAD及数字仿真实验指导书自动化系目录第一章前言............... (2)第二章控制系统CAD及数字仿真实验1．数据处理方法的MATLAB实现 (4)2．控制系统建模的MATLAB实现 (5)3．PID校正设计的MATLAB实现 (6)4．微分方程的Simulink仿真............ . (7)5．S函数的编写和Simulink仿真．........... .... .... .... .9 6．图像处理系统的算法和界面设计................... .. .... .10第一章前言本实验课程是与学科基础选修课程《控制系统CAD及数字仿真》相配合的实践课程。

作为联系自动控制理论、自动控制系统设计、课程设计、毕业设计等教学环节的仿真技术类课程，其不仅可以使学生加强课程的学习效果，而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具，有效加强教学中的实践性教学环节，提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。

开设本课程的目的，主要是培养学生运用MATLAB语言进行编程和仿真的能力，为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。

一、上机实验要求1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱与SIMULINK软件包。

2、能根据有关控制算法，编写有关的MATLAB程序。

3、能对实验结果进行分析和讨论，得到相关的实验结论。

二、上机实验的基本程序：1、明确实验任务。

2、提出实验方案。

3、编制有关的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型。

4、进行实验操作，作好观测和记录，保存有关的实验数据。

5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行上机实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。

要做好各个上机实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。

实验一数据处理方法的MATLAB实现一、实验目的学会在MATLAB环境下对已知的数据进行处理。

《控制系统CAD与仿真》实验指导书计控学院自动化系实验一 Matlab 运算基础一、 实验目的1、熟悉启动和退出Matlab 的方法；2、熟悉Matlab 命令窗口的组成；3、掌握建立矩阵的方法；二、 实验内容：1、帮助命令使用help 命令，查找 sqrt （开方）函数的使用方法；2、先求下列表达式的值，然后显示Matlab 工作空间的使用情况并保存全部变量。

0.3,9.2,8.2,...,8.2,9.2,0.3,23.0ln )3.0sin(2)3(545.0212),1log(21)2(185sin 2)1(3.03.032221---=+++-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=++=+=-a a a e e z i x x x z e z a a 其中 提示：利用冒号表达式生成a 向量，求各点的函数值时用点乘运算。

⎪⎩⎪⎨⎧=<≤+-<≤-<≤=5.2:5.0:0,32,1221,110,)4(2224t t t t t t t t z 其中提示：用逻辑表达式求分段函数值。

3、已知：三、 预习要求：利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告上。

实验二 结构程序设计一、 实验目的1、掌握利用while 语句实现循环结构的方法。

2、掌握利用if 语句实现选择结构的方法。

3、掌握利用switch 语句实现多分支选择结构的方法。

二、 实验内容：1、计算1+2+…+n<2000时的最大n 值。

2、计算分段函数⎪⎩⎪⎨⎧≥+-<≤-<=2122111222x x x x x x x y 的值。

3、给出一个学生的百分制成绩，要求转化成成绩等级输出，等级分为’A ’、’B ’、’C ’、’D ’、’E ’五等。

90分以上为’A ’，80~89为’B ’，70~79为’C ’，60~69为’D ’、60分以下为’E ’。

三、 预习要求：利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告实验三 三种系统数学模型之间的转换一、 实验目的1、掌握如何将LTI 对象转换为传递函数模型2、掌握如何将LTI 对象转换为零极点增益模型3、掌握如何将LTI 对象转换为状态空间模型二、 实验内容：1、将LTI 对象转换为传递函数模型（1）已知系统状态空间模型：u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=40205.09.85.101.0105.01.03.0.；[]x y 3,2,1=， 求其等效的传递函数模型。

《控制系统仿真与CAD》课程设计指导书一、目的和任务配合《控制系统仿真与CAD》课程的理论教学，通过课程设计教学环节，使学生掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，有效地提高学生实验动手能力。

基本要求：1、利用MATLAB提供的基本工具，灵活地编制和开发程序，开创新的应用。

2、熟练地掌握各种模型之间的转换，系统的时域、频域分析及根轨迹绘制。

3、熟练运用SIMULINK对系统进行仿真。

4、掌握PID控制器参数的设计。

二、设计要求1、编制相应的程序，并绘制相应的曲线。

2、对设计结果进行分析。

3、撰写和打印设计报告（包括程序、结果分析、仿真结构框图、结果曲线）。

三、设计内容1、本次设计有八个可以选择的题目，至少选择两个题目进行设计。

2、“设计报告”要按规定的格式撰写（对于存在“逻辑混乱”、“文字不清”、“作图潦草”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。

3、无论计算机录入/打印还是手工书写，均要求用标准A4纸进行撰写，以便于报告最终的批阅与存档。

四、时间安排1、课程设计时间为一周。

2、第1天布置设计题目，讲授设计的要求。

3、第2～4天学生进行设计。

4、第5天教师验收，然后学生撰写和打印设计报告。

选题一：二阶弹簧—阻尼系统的PID 控制器设计及参数整定考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数()G s 如下，参数为M=1kg ，b=2N.s/m ，k=25N/m ，()1F s =。

设计要求：（1）控制器为P 控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。

（2）控制器为PI 控制器时，改变积分系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。

(例如当Kp=50时，改变积分系数大小)（3）设计PID 控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。

电气工程系工业自动化专业方向“控制系统数字仿真与CAD”课程结业考核“课程报告”选题说明一、关于本课程“控制系统数字仿真与CAD”课程是电气工程系工业自动化专业方向的一门选修课，课程结业考核评定以撰写“课程报告”的形式进行；其重在培养学生自主学习能力与独立思考能力，检查学生综合运用所学知识与基本技能情况，锻炼学生的书面表达能力。

二、关于“课程报告”的选题可选题目：在“课程报告”选题一览中任选一题（参见教材中的相关内容）。

●“课程报告”撰写中有如下要求：1、每个选题最多三人相同（如发现超过三人，将随机保留三人，其他人重新选题/再次撰写“课程报告”）。

2、“课程报告”要按规定的格式撰写（对于存在“逻辑混乱”“文字不清”、“作图潦草”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。

３、无论计算机录入／打印还是手工书写，均要求用标准Ａ４纸进行撰写，以便于报告最终的批阅与存档。

三、“课程报告”的格式要求“课程报告”要求按科技论文的格式进行撰写，具体格式如下：●中文“题目”●“姓名/班级/电子信箱/联系电话”●中文“摘要”●“关键词”●英文“题目”●英文“摘要”●正文：1、引言2、原理/建模3、设计/分析/论述4、仿真实验/结果分析5、结论建议：学生参阅“中国电机工程学报”、“控制与决策”、“自动化学报”、“控制理论与应用”杂志上的文章格式进行撰写。

“控制系统数字仿真与CAD”课程结业考核“课程报告”选题一览1、“双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究”（参见教材第五章第一节内容）。

选作者：、、2、选题一：“一阶直线倒立摆系统建模与模型验证”选作者：、、3、选题二：“一阶直线倒立摆系统模型的线性化与固有特性分析”选作者：、、4、选题三：“一阶直线倒立摆系统的可控性分析”选作者：、、5、选题四：“一阶直线倒立摆的双闭环PID控制系统设计”选作者：、、6、选题五：“双闭环PID控制的一阶直线倒立摆系统抗扰性能分析”（摆长/配重/直线导轨倾斜/外力冲击摆杆等扰动）选作者：、、7、选题六：“一阶直线双倒立摆系统建模与模型验证”（参见教材之习题4-14）选作者：、、8、选题七：“一阶直线双倒立摆系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材之习题4-14）选作者：、、9、选题八：“一阶直线双倒立摆系统的可控性分析”（参见教材之习题4-14）10、选题九：“一阶旋转倒立摆系统建模与模型验证”（参见教材之习题5-1）选作者：、、11、选题十：“一阶旋转倒立摆系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材之习题5-1）选作者：、、12、选题十一：“一阶旋转倒立摆系统的可控性分析”（参见教材之习题5-1）选作者：、、13、选题十二：“斜梁-滚球系统建模与模型验证”（参见教材之习题2-11）选作者：、、14、选题十三：“斜梁-滚球系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材之习题2-11）选作者：、、15、选题十四：“斜梁-滚球系统的可控性分析”（参见教材之习题2-11）选作者：、、16、选题十五：“二维运动龙门起重机系统建模与模型验证”( 参见教材第二章第二节/第四章第五节) 选作者：、、17、选题十六：“二维运动龙门起重机系统模型的线性化与固有特性分析” ( 参见教材第二章第二节/第四章第五节)18、选题十七：“二维运动龙门起重机系统的可控性分析”( 参见教材第二章第二节)选作者：、、19、选题十八：“二维运动龙门起重机的双闭环PID控制系统设计” ( 参见教材第四章第三节)选作者：、、20、选题十九：“双闭环PID控制的二维运动龙门起重机系统抗扰性能分析”（绳长/重物质量/外力冲击重物等扰动）选作者：、、21、选题二十：“单水箱液位控制系统建模与模型验证”（参见教材第二章第二节）选作者：、、22、选题二十一：“单水箱液位控制系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材第二章第二节）选作者：、、23、选题二十二：“单水箱液位控制系统设计”（参见教材第五章第三节）选作者：、、24、选题二十三：教材之习题4-8 。

《控制系统CAD及仿真》实验指导书自动化学院自动化系实验一SIMULINK 基础与应用一、实验目的1、熟悉并掌握Simulink 系统的界面、菜单、工具栏按钮的操作方法；2、掌握查找Simulink 系统功能模块的分类及其用途，熟悉Simulink 系统功能模块的操作方法；3、掌握Simulink 常用模块的内部参数设置与修改的操作方法；4、掌握建立子系统和封装子系统的方法。

二、实验内容：1. 单位负反馈系统的开环传递函数为：1000()(0.11)(0.0011)G s s s s =++应用Simulink 仿真系统的阶跃响应曲线。

2．PID 控制器在工程应用中的数学模型为：1()(1)()d p i d T s U s K E s T s T s N=++ 其中采用了一阶环节来近似纯微分动作，为保证有良好的微分近似效果，一般选10N ≥。

试建立PID 控制器的Simulink 模型并建立子系统。

三、预习要求：利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。

实验二 控制系统分析一、 实验目的1、掌握如何使用Matlab 进行系统的时域分析2、掌握如何使用Matlab 进行系统的频域分析3、掌握如何使用Matlab 进行系统的根轨迹分析4、掌握如何使用Matlab 进行系统的稳定性分析5、掌握如何使用Matlab 进行系统的能观测性、能控性分析 二、 实验内容： 1、时域分析（1）根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并在图上读标注出峰值，求出系统的性能指标。

8106)65(5)(232+++++=s s s s s s G （2）已知两个线性定常连续系统的传递函数分别为1G (s)和2G (s)，绘制它们的单位脉冲响应曲线。

451042)(2321+++++=s s s s s s G ， 27223)(22+++=s s s s G （3）已知线性定常系统的状态空间模型和初始条件，绘制其零输入响应曲线。

《控制系统仿真与CAD》实验指导书适用自动化、测控、电气、电控荷专业电气自动化系自动化教研室2011年2月实验1：M函数的编写1. 实验目的掌握在Matlab环境下编写并运行M函数的操作方法。

2. 实验内容对给定的二阶欠阻尼传递函数，编制一个函数程序，计算阶跃响应的特征参数：超调量б% 、峰值时间Tp、上升时间Tr、过渡过程时间Ts（2%）。

b=7500; a=[1, 34.5, 7500];3. 实验步骤(1) 开机后在Windows状态下，启动Matlab7.1环境；(2) MATLAB的Editor/Debugger窗口来编辑程序；(3) 输入下列源程序：% mp：超调量，Tp：峰值时间，Tr：上升时间，T s：调节时间function [mp,Tp,Tr,Ts]=exp1(num,den)t=0:0.005:1;y=step(num,den,t);plot(t,y);%求mp与TpN=length(t);yss=y(N); %yss:稳态值[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss;Tp=t(i);%求Tryr1=0.1*yss;yr2=0.9*yss;i=1;while y(i)<yr1i=i+1;endt1=t(i);while y(i)<yr2i=i+1;endt2=t(i);Tr=t2-t1;%求Ts：调节时间symbol=0; %symbol：超标标志for i=1:1:Nfor j=1:1:N-iif(abs(y(i+j)-yss)/yss>0.02)symbol=1;endendif symbol==1symbol=0;elsebreak;endendTs=t(i);i=N;while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i);(4) 把源程序以文件形式保存到MATLAB的Work子目录下；(5) 调用编写的函数程序，运行源程序；(6) 打印源程序清单，并将二阶欠阻尼系统性能指标的结果保存。

实验一、熟悉MATLAB 环境及矩阵、数组的数学计算一、 实验目的1、熟悉启动和退出Matlab 的方法；2、熟悉Matlab 命令窗口的组成；3、掌握建立矩阵的方法；二、 实验内容：1、帮助命令使用help 命令，查找 sqrt （开方）函数的使用方法；2、先求下列表达式的值，然后显示Matlab 工作空间的使用情况并保存全部变量。

0.3,9.2,8.2,...,8.2,9.2,0.3,23.0ln )3.0sin(2)3(545.0212),1log(21)2(185sin 2)1(3.03.032221---=+++-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=++=+=-a a a e e z i x x x z e z a a 其中 提示：利用冒号表达式生成a 向量，求各点的函数值时用点乘运算。

⎪⎩⎪⎨⎧=<≤+-<≤-<≤=5.2:5.0:0,32,1221,110,)4(2224t t t t t t t t z 其中提示：用逻辑表达式求分段函数值。

（1）z1=2*sin(85/180*pi)/(1+(exp(1))^2)z1 =0.2375（2）x=[2 1+2i;-0.45 5]x =2.0000 1.0000 + 2.0000i-0.4500 5.0000z2=0.5*log(x+sqrt(1+x^2))z2 =0.7114 - 0.0253i 0.8968 + 0.3658i0.2139 + 0.9343i 1.1541 - 0.0044i（3）a=-3.0:0.1:3.0a =Columns 1 through 5-3.0000 -2.9000 -2.8000 -2.7000 -2.6000Columns 6 through 10-2.5000 -2.4000 -2.3000 -2.2000 -2.1000Columns 11 through 15-2.0000 -1.9000 -1.8000 -1.7000 -1.6000Columns 16 through 20-1.5000 -1.4000 -1.3000 -1.2000 -1.1000Columns 21 through 25-1.0000 -0.9000 -0.8000 -0.7000 -0.6000Columns 26 through 30-0.5000 -0.4000 -0.3000 -0.2000 -0.1000Columns 31 through 350 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000Columns 36 through 400.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000Columns 41 through 451.0000 1.1000 1.2000 1.3000 1.4000Columns 46 through 501.5000 1.6000 1.7000 1.8000 1.9000Columns 51 through 552.0000 2.1000 2.2000 2.3000 2.4000Columns 56 through 602.5000 2.6000 2.7000 2.8000 2.9000Column 613.0000z3=((exp(0.3*a)-exp(-0.3*a)).*sin(a+0.3))/2+log((a+0.3)/2) z3 =Columns 1 through 30.7388 + 3.1416i 0.7696 + 3.1416i 0.7871 + 3.1416i Columns 4 through 60.7913 + 3.1416i 0.7822 + 3.1416i 0.7602 + 3.1416i Columns 7 through 90.7254 + 3.1416i 0.6784 + 3.1416i 0.6196 + 3.1416i Columns 10 through 120.5496 + 3.1416i 0.4688 + 3.1416i 0.3780 + 3.1416i Columns 13 through 150.2775 + 3.1416i 0.1680 + 3.1416i 0.0497 + 3.1416i Columns 16 through 18-0.0771 + 3.1416i -0.2124 + 3.1416i -0.3566 + 3.1416i Columns 19 through 21-0.5104 + 3.1416i -0.6752 + 3.1416i -0.8536 + 3.1416i Columns 22 through 24-1.0497 + 3.1416i -1.2701 + 3.1416i -1.5271 + 3.1416i Columns 25 through 27-1.8436 + 3.1416i -2.2727 + 3.1416i -2.9837 + 3.1416i Columns 28 through 30-37.0245 -3.0017 -2.3085 Columns 31 through 33-1.8971 -1.5978 -1.3575 Columns 34 through 36-1.1531 -0.9723 -0.8083 Columns 37 through 39-0.6567 -0.5151 -0.3819 Columns 40 through 42-0.2561 -0.1374 -0.0255 Columns 43 through 450.0792 0.1766 0.2663 Columns 46 through 480.3478 0.4206 0.4841 Columns 49 through 510.5379 0.5815 0.6145 Columns 52 through 540.6366 0.6474 0.6470 Columns 55 through 570.6351 0.6119 0.5777 Columns 58 through 600.5327 0.4774 0.4126 Column 610.33880.7114 - 0.0253i 0.8968 + 0.3658i0.2139 + 0.9343i 1.1541 - 0.0044i（4）t=0:0.5:2.5;if t<1,z4=t.^2,elseif t<2,z4=t.^2-1,else z4=t.^2-2.*t+1,end; z4 =1.0000 0.2500 0 0.2500 1.00002.25003、已知：（1）A=[12 34 -4;34 7 87;3 65 7],B=[1 3 -1;2 0 3;3 -2 7],A+6*B,A =12 34 -434 7 873 65 7B =1 3 -12 0 33 -2 7ans =18 52 -1046 7 10521 53 49I=eye(3),I =1 0 00 1 00 0 1>> A-B+Ians =12 31 -332 8 840 67 1（2）A*Bans =68 44 62309 -72 596154 -5 241>> A.*Bans =12 102 468 0 2619 -130 49（3）A^3ans =37226 233824 48604247370 149188 60076678688 454142 118820>> A.^3ans =1728 39304 -6439304 343 65850327 274625 343（4）A/Bans =16.4000 -13.6000 7.600035.8000 -76.2000 50.200067.0000 -134.0000 68.0000>> B\Aans =109.4000 -131.2000 322.8000-53.0000 85.0000 -171.0000-61.6000 89.8000 -186.2000三、预习要求：利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告上。