《1控制系统计算机仿真》实验指导书

实验一 MATLAB 软件操作练习一、 实验目的1. 熟悉MATLAB 软件的基本操作；2. 学会利用MATLAB 进行基本数学计算的方法；3. 学会用MATLAB 进行矩阵创建和运算。

二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 使用help 命令，查找 sqrt （开方）、roots (求根)等函数的使用方法；2. 用MATLAB 可以识别的格式输入以下矩阵75350083341009103150037193......A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦并将A 矩阵的右下角2×3子矩阵赋给D 矩阵。

赋值完成后，调用相应的命令查看MATLAB 工作空间的占用情况。

3. 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 2 3;4 5 6;7 8 9];B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];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=[3 2 3;2 4 6;6 8 10];求A 中第3列前2个元素；A 中所有列第2，3行的元素；4. 分别用for 和while 循环结构编写程序，求出6323626302122222i i K ===++++++∑并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。

四、实验步骤1. 熟悉MATLAB 的工作环境，包括各菜单项、工具栏以及指令窗口、工作空间窗口、启动平台窗口、命令历史窗口、图形文件窗口和M 文件窗口；2． 在指令窗口中完成实验内容中规定操作并记录相关实验结果；3. 完成实验报告。

实验二 M 文件编程及图形处理一、实验目的1．学会编写MATLAB 的M 文件；2．熟悉MATLAB 程序设计的基本方法；3. 学会利用MATLAB 绘制二维图形。

二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 选择合适的步距绘制出下面的图形（1）sin(tan )tan(sin )t t -，其中(,)t ππ∈-（2）-0.5t y=e sin(t-)3π，t ∈[0，20]（3）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]2.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）给横坐标标注’t ’，纵坐标标注‘y(t)‘，3.M 文件程序设计（1）编写程序，计算1+3+5+7+…+(2n+1)的值（用input 语句输入n 值）；（2）编写分段函数⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-<≤=其它021210)(x x x x x f的函数文件，存放于文件ff.m 中，计算出)2(f ，)3(-f 的值四、实验要求1. 预习实验内容，按实验要求编写好实验程序；2. 上机调试程序，记录相关实验数据和曲线，3. 完成实验报告。

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 2 3;4 5 6;7 8 9];B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];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p(x) = x3 - 2x - 4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；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、比例、网络线（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。

三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中2到6的相应程序，并写在预习报告上。

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。

《控制系统仿真》实验指导书天津大学仁爱学院2013年9月实验一MATLAB平台认识、编程初步实验一、实验目的1、了解MATLAB语言环境。

2、练习MATLAB命令的基本操作。

3、练习M文件的基本操作。

二、实验内容1、了解MATLAB语言环境1）MATLAB语言操作界面。

用鼠标双击图标即可打开MATLAB可见多个窗口：”Command Window” Command history”, ”workspace”等，在命令窗口”Command Wind ow”中,在命令提示符位置键入命令，完成下面的练习。

2.练习MATLAB命令的基本操作1）键入常数矩阵输入命令：a=［1 2 3］a=［1;2;3］记录结果，比较显示结果有何不同：b=［1 2 5］b=［1 2 5］;记录结果，比较显示结果有何不同：c=a*b c=a*b′记录结果，比较变量加“′”后的区别：a=［1 2 3;4 5 6;7 8 0］a^2a^0.5记录显示结果。

2）作循环命令程序：>>makesum=0;for i=1:1:100;makesum=makesum+i;end键入makesum,按回车键，记录计算结果。

3）分别执行下列命令：a=［1 2 3;4 5 6;7 8 0］poly(a)rank(a)det(a)trace(a)inv(a)eig(a)分别写出命令含义、记录结果。

3.练习M文件的基本操作1）新建文件，建.M文件2）输入程序function [m,s]=findsum(k)s=0;m=0;while (s<=k),m=m+1;s=s+m; end3）另存为“findsum．m”文件这样就可以在MATLAB环境中对不同的k值调用该函数了。

例如，若想求出大于的最小m值，则可以得出如下命令：在命令窗口中输入>>[m1,s1]=findsum()，观察记录结果。

三、实验报告要求按照上述步骤进行实验，并按实验记录完成实验报告。

实验5. 控制理论仿真实验1 控制系统的建模一、实验目的1.学习在命令窗口建立系统模型的方法；2.学习如何在三种模型之间相互转换；3.学习如何用仿真工具建模。

二、相关知识1.传递函数模型设连续系统的传递函数为：nn n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s den s num s G ++++++++==----11101110)()()( 设离散系统的传递函数为：nn n n m m m m a z a z a z a b z b z b z b z den z num z G ++++++++==----11101110)()()( 则在中，都可直接用分子/分母多项式系数构成的两个向量与构成的矢量组[]表示系统，即],,,[10m b b b=],,,[10n a a a建立控制系统的传递函数模型（对象）的函数为 (),调用格式为：()()()()返回的变量为连续系统的传递函数模型。

()返回的变量为离散系统的传递函数模型，为采样周期，当1或[]时，系统的采样周期未定义。

()将任意的控制系统对象转换成传递函数模型。

离散系统的传递函数的表达式还有一种表示为1-z 的形式（即形式），转换为形式的函数命令为()，调用格式为：()()()函数用来建立一个采样时间未指定的形式传递函数。

()函数用来建立一个采样时间为的形式传递函数。

2.零极点增益模型设连续系统的零极点增益模型传递函数为：)())(()())(()(2121n m p s p s p s z s z s z s k s G ------= 设离散系统的零极点增益模型传递函数为：)())(()())(()(1010n m p z p z p z z z z z z z k z G ------= 则在中，都可直接用向量构成的矢量组[]表示系统，即],,[10m z z z],,[10n p p p][k在中，用函数()来建立控制系统的零极点增益模型，调用格式为：()()()()返回的变量为连续系统的零极点增益模型。

内蒙古科技大学控制系统仿真设计说明书题目：基于Ziegler-Nichols方法的PID控制参数整定学生姓名：学号：专业：自动化班级：自2012-3班指导教师：李仲德基于Ziegler-Nichols方法的PID控制参数整定摘要；当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。

反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。

测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。

反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。

在过去的十几年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。

在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。

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关键词：PID控制；Ziegler-Nichols；参数整定；matlab；simulink第一章控制系统仿真概述1.11.1 控制系统计算机仿真控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和发展同步进行的。

控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法。

MALTAB 仿真实验指导书实验一实验题目：欧拉法&梯形法的MATLAB 实现实验目的：1.熟练掌握MATLAB 的使用方法2.牢记欧拉法、梯形法的计算过程3.熟悉欧拉法、梯形法以及实现二阶动态响应的程序编写 实验内容：已知被控对象的系数矩阵分别为A=[-5 -2 -1 -0.5；4 0 0 0；0 2 0 0；0 0 1 0 ]B=[1;0;0;0]；C=[0 0 0.25 0.5]；D=0；根据欧拉法、梯形法的递推公式，应用MATLAB 语言编写相应的仿真程实验要求：1.取计算步长65.0=h ，初值均为零，输入为阶跃信号，取25=u ，研究系统25秒的动态过程。

2.取计算步长01.0=h ，初值均为零，输入为阶跃信号，取25=u ，研究系统25秒的动态过程。

实验算法：欧拉法递推公式：),(1k k k k y t hf y y +=+梯形法的递推公式： )],(),([2),(011101++++++=+=k k k k k k k k k k y t f y t f h y y y t hf y y实验方法：利用所学过数值积分方法（欧拉法、梯形法），通过MATLAB 语言对给定的系统进行仿真实验步骤：1.了解并掌握基本数值积分的方法，即欧拉法、梯形法，并做比较，了解它们之间的联系与区别和优缺点，其中重点掌握梯形法。

2.通过给定的系统，利用欧拉法、梯形法编写相应MATLAB 语言，实现仿真，得出相应的仿真曲线。

3.比较仿真实验结果，并得出结论。

4.撰写实验报告。

实验程序：1.欧拉法A=[-5 -2 -1 -0.5;4 0 0 0;0 2 0 0;0 0 1 0];B=[1;0;0;0];C=[0 0 0.25 0.5];D=0;x0=[0;0;0;0];% x0为状态变量的初值，此处以列向量表示；u=25;% u为输入向量；t0=0;% t0为仿真时间的起始时刻；tf=15;% tf为仿真时间的结束时刻；h=0.65;% h=0.01 h为仿真时所取的仿真步长；m=(tf-t0)/h;[r,c]=size(A);for i=1:mfor j=1:rx(j)=x0(j)+h*(A(j,:)*x0+B(j,:)*u);endy(i)=C*x';x0=x';t(i)=i*h;endplot(t,y)grid ontitle('useEuler')2.梯形法A=[-5 -2 -1 -0.5;4 0 0 0;0 2 0 0;0 0 1 0];B=[1;0;0;0];C=[0 0 0.25 0.5];D=0;x0=[0;0;0;0];% x0为状态变量的初值，此处以列向量表示；u=25;% u为输入向量;t0=0;% t0为仿真时间的起始时刻；tf=15;% tf为仿真时间的结束时刻；h=0.65;% h=0.01 h为仿真时所取的仿真步长；m=(tf-t0)/h;[r,c]=size(A);for i=1:mfor j=1:rx(j)=x0(j)+h*(A(j,:)*x0+B(j,:)*u);endx1=x';for k=1:rxx(k)=x0(k)+0.5*h*((A(k,:)*x0+B(k,:)*u)+(A(k,:)*x1+B(k,:)*u)); endy(i)=C*xx';x0=xx';t(i)=i*h;endplot(t,y)grid ontitle('useLadder')实验报告要求：1.书写实验报告，其中包括实验题目，实验目的，实验内容，实验要求，实验思路，实验方法，实验步骤，实验程序等。

自动控制系统仿真实验指导书王巧玲管萍编2004年9月实验要求：要求课前有预习报告，给出程序语句和结果预测，无预习报告不准进实验室！课后要求按时完成实验报告，实验报告的评分将作为平时成绩的一部分。

实验一 控制系统仿真中的MATLAB 语言熟悉1 用MATLAB 语言求下列系统的状态方程、传递函数、零极点增益和部分分式形式的模型参数，并分别写出其相应的数学模型表达式：（1）2450351024247)(23423+++++++=s s s s s s s s G （2）u X X ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡------------=022475.025.075.125.1125.15.025.025.025.125.425.25.025.1525.2 []X y 2020=2 已知单位反馈系统的开环传递函数如下)35.164,3)(6.4(1005)(2++++=s s s s s s G 用MATLAB 语句函数求取系统闭环零极点，并求取系统闭环状态方程的可控标准型实现。

3 用MATLAB 画出函数22y x z +=的三维图形，其中[]11-∈x ，[]11-∈y 。

4 采用循环控制命令程序，计算1~60之和。

5 首先生成一个周期余弦波的7个数据点，然后对这些点进行插值并绘制插值结果。

6 用ode45()语句解微分方程0)1(222=+--x dt dx x u dtx d 要求可修改参数u 。

实验二 RK4仿真实验1. x’=-x+t ， u=t ，h=0.1，t=[0,10]，在MATLAB 语言环境下构造.m 文件，编写RK4算法程序进行求解，绘图显示运算结果。

2. 对x’=-x+t ，x(0)=1，t=[0,10]，h=0.1，调用ode45函数进行求解，绘图显示运行结果；并与上题的仿真结果进行对照；适当改变步长h ，观察仿真效果并进行分析。

3. 在Simulink 中调用状态空间模块对上题进行仿真，采用示波器模块进行输出显示，同时将结果输出到workspace 中进行查看；改变仿真参数和仿真方法，比较运行结果。

《控制系统计算机仿真》实验指导书目录实验一时变或非线性微分方程求解.......................实验二控制系统的模型及其转换.............................实验三控制系统的时域、频域和根轨迹分析...........实验四动态仿真集成环境-Simulink.........................实验五直流电机自动调速系统控制器设计实验二 控制系统的模型及其转换一、 实验目的1、掌握建立控制系统模型的函数及方法；2、掌握控制系统模型间的转换方法及相关函数；3、熟悉控制系统模型的连接方法；4、掌握典型系统模型的生成方法。

二、 实验内容：1. 控制系统模型 1.1 系统的模型为23324(2)(66)()(1)(325)s s s G s s s s s s +++=++++试建立系统的传递函数模型。

1.2 已知单输入双输出系统的零极点模型3(12)4(5)(3)()(3)(4)(5)s s s G s s s s +⎡⎤⎢⎥++⎣⎦=+++建立系统的零极点模型。

1.3 给定系统的状态空间表达式，[]2.8 1.40011.40000()()()1.80.3 1.40.61000.600()0001()x t x t u t y t x t ⎧--⎡⎤⎡⎤⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥=+⎪⎢⎥⎢⎥----⎨⎢⎥⎢⎥⎪⎣⎦⎣⎦⎪⎪=⎩建立系统的状态空间模型。

2. 控制系统模型的转换2.1 将1.1的模型转换为零极点模型 2.2 将1.2的模型转换为状态空间模型 2.3 将1.3 的模型转换为零极点模型3. 控制系统模型的连接:已知两个系统[]11111101012113x x u y x u ⎧⎡⎤⎡⎤=+⎪⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎨⎪=+⎩[]2222201013114x x u y x ⎧⎡⎤⎡⎤=+⎪⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎨⎪=⎩求按串联、并联、系统2联接在反馈通道时的负反馈系统的状态方程。

测控技术和仪器专业《计算机控制系统》课程实验指导书自动控制工程系沈阳工程学院目录实验一基于MATLAB的典型环节模拟实验 (1)实验二基于MATLAB控制系统瞬态响应和稳定性分析 (5)实验三基于MATLAB控制系统频率响应分析 (8)实验四基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响 (10)实验五直流电机PID控制 (11)实验六水箱液面控制实验 (13)实验一 基于MATLAB 的典型环节模拟实验一、实验目的1. 熟悉MATLAB 中模拟仿真环境和SIMULINK 软件包的使用；2. 掌握控制系统的模型表示方法以及Setp 函数的使用。

3. 根据典型环节中的各阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。

二、实验原理1. 采用MATLAB 中Simlink 软件包来模拟各种典型环节，并在阶跃输入信号观察其输出响应曲线。

2. 采用Setp 函数，在MATLAB 环境下绘制各种典型环节的单位阶跃响应曲线。

setp 命令格式：[y,x]=step(num,den,t)三、实验内容1. 运用Simulink 软件包画出各种典型环节的模拟电路图，并画出各环节在阶跃输入信号作用下的响应输出波形； 各环节的传递函数如下： （1） 比例环节：2)(1)(21==s G s G 和（2） 积分环节：ss G ss G 5.01)(1)(21==和（3） 比例积分环节：ss G ss G 11)(5.012)(21+=+=和（4） 惯性环节：14.02)(11)(21+=+=s s G s s G 和（5） 比例积分微分环节：s ss G sss G ++=++=11)(25.012)(21和2、采用Setp函数求取上述各典型环节的阶跃响应曲线，并绘制其对应的曲线。

num1=[1]den1=[1]step(num1,den1)hold onnum2=[2]step(num2,den1)den3=[1,0]step(num1,den3)den4=[0.5 0]step(num1,den4)[num5,den5]=parallel(num2,den1,num1,den4)step(num5,den5)[num6,den6]=parallel(num1,den1,num1,den3)step(num6,den6)den7=[1 1]step(num1,den7)den8=[0.4 1]step(num2,den8)num9=[2,0][num10,den10]=parallel(num2,den1,num1,den4,num9,den1)step(num10,den10)num11=[1 0][num12,den12]=parallel(num1,den1,num2,den1,num10,den1)step(num12,den12)四、实验思考题1.运算放大器模拟环节的传递函数是在什么情况下推导出来的？2.积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可近似为积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？3.积分环节和惯性环节的时间常数，如何从阶跃响应的曲线中测出？五、实验报告要求1.给出各个典型环节的传递函数。