基于MATLAB的过程控制系统课程仿真实验软件

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。

第18卷增刊2008年7月全国高等学校电子技术研究会论文集V01．18suppl．Jul．2008

基于Matlab和Multisim的综合性实验——

椭圆滤波器设计与仿真

史燕杨小雪

(西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都610031)

摘要：MATLAB和Multisim是电子信息类课程中主要的仿真软件。本文通过低通椭圆滤波设计实例说明综合

运用MATLAB和Multisim进行设计仿真和调试。文中给出了设计椭圆滤波器的具体步骤，利用MATLAB设计出低通椭圆滤波器传输函数，再按所设计的零，极点和Q值用有源滤波通过M出sim仿真和调试来实现。本文

也为椭圆滤波器的设计与实现提供一种简便迅速的方法。关键词：椭圆滤波器；低通滤波器；MIlltisim；MatL出

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1673—7938(2008)增刊一002l—02

0引言

Mathb是功能强大的科学计算语言，作为科学

计算平台，它几乎能够满足所有的计算需求。Mat．址提供了丰富的滤波器设计函数，通过简单编程可

以很容易实现各种滤波器设计。而Multisim是电

子电路设计与仿真方面的EDA软件，也称这种软件

叫做虚拟电子实验室或电子工作平台。这两种软件

已成为电子信息类课程中必备的教学软件。

模拟滤波器是电子设计中最重要的部分之一。

常用的滤波器有巴特沃斯(Butterworth)和切比雪夫

(Chebyshey)及椭圆型(EⅡiptic)滤波器。其中巴特

沃斯和切比雪夫滤波器的传输函数都是一个常数除

以一个多项式，为全极点网络，仅在无限大阻带处衰

减为无限大，而椭圆函数滤波器在有限频率上既有

零点又有极点。极零点在通带内产生等纹波，阻带

内的有限传输零点减少了过渡区，可获得极为陡峭

的衰减曲线。也就是说对于给定的阶数和给定的波

纹要求，椭圆滤波器能获得较其它滤波器更窄的过

渡带宽，就这点而言，椭圆滤波器是最优的。但是椭

圆滤波器传输函数是一种较复杂的逼近函数，利用

班级

姓名

学号

XXXXXX电子与信息工程学院实验报告册

课程名称： 自动控制原理 实验地点：

实验时间 同组实验人：

实验题目： 典型环节的MATLAB仿真

一、实验目的：

1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。

2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。

3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验原理及SIMULINK图形：

1．比例环节的传递函数为 221211()2100,200ZRGsRKRKZR

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。

2．惯性环节的传递函数为

2211211212()100,200,110.21RZRGsRKRKCufZRCs

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示。

3．积分环节(I)的传递函数为

ufCKRssCRZZsG1,1001.011)(111112

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。

图1-5 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形 图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形 4．微分环节(D)的传递函数为

ufCKRssCRZZsG10,100)(111112 ufCC01.012

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。

5．比例+微分环节（PD）的传递函数为

)11.0()1()(111212ssCRRRZZsGufCCufCKRR01.010,10012121

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-7所示。

6．比例+积分环节（PI）的传递函数为

)11(1)(11212sRsCRZZsG ufCKRR10,100121

⑩２００７年第２期　实　验　室　科　学　２００７年４月出版　

基于ＭＡＴＬＡＢ的“自动控制原理＂实验教学　

方清城　

（佛山科学技术学院广东佛山５２８０００）　

摘要：针对“自动控制原理”教学模式，利用Ｍａｔｌａｂ软件的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块组合仿真方法在“自动控　

制原理”实验中的应用，并给出了仿真实例。实验结果证明该方法大大提高了实验效果；　既调动了学生的积极性和创造性，又培养了学生的分析、设计和调试自动控制系统的能　

力。　关键词：自动控制原理；Ｍａｔｌａｂ；仿真；教学　

１．引言　“自动控制原理”这门课程是自动化专业的专　业基础课。该课程的特点是理论性强以及相对较抽　

象，数学含量大，计算繁杂，以致使得学生难于理解，　而实验课是学生很好地掌握“自动控制原理”理论　

课的重要组成部分，借助实验能更好地实现理论和　实际有机结合。搞好实验教学，不仅可以使学生对　所学理论知识有更深刻的理解和把握，有效地提高　

教学质量，同时可以提高学生的动手能力和设计水　平，更好地满足社会对人才的要求。传统的自动控　

制实验一般采用自控实验箱，在实验箱面板上连接　相应的典型环节，通过示波器观察系统的响应曲线。　虽然这种方式可以一定程度地提高学生的动手能　

力，加深对课堂所学内容的理解，但存在着一些弊　端：①学生在开始进行实验的时候，面对着复杂的硬　件电路，往往不知所措，对控制系统的模型不是很了　

解，只是依据给定的电路来连接；对于控制系统的参　数，不知如何调整，很容易造成硬件电路的损坏，使　

得学生对实验不感兴趣；②实验设备高度集成化，可　扩展性差，可改参数有限，使得综合性和设计性的实　验难以开展；③实验内容形式老化，不能达到实验要　

求和促进课程理论教学的目的。因此，如果结合　Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真，能克服传统模拟实验的局限　

性，对自动控制理论课程学习有极大的促进作用。　

２．Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是一种用于实现计算机仿真的软件工