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实验1 运用MATLABSimulink进行系统仿真实验(指导书)

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实验一、运用MATLAB/Simulink进行系统仿真实验
一、实验目的
机电一体化系统建模是进行机电一体化系统分析与设计的基础，通过对系统的简化分析建立描
述系统的数学模型，进而研究系统的稳态特性和动态特性，为机电一体化系统的物理实现和后续的
系统调试工作提供数据支持，而仿真研究是进行系统分析和设计的有利方法。
本实验目的在于通过实验使同学对机电一体化系统建模方法和仿真方法有初步的了解，初步掌
握在MATLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行仿真的方法。
（1） 掌握机电一体化系统数学建模的基本方法；
（2） 掌握对机电一体化系统进行数学仿真的基本方法和步骤；
（3） 在初步掌握在MATLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行仿真的方
法。

二、实验设备
（1） 计算机
（2） MATLAB/ SIMULINK软件

三、实验原理
（一）建立数学模型
就是（以一定的理论为依据）把系统的行为概括为数学的函数关系，包括以下内容：
1） 确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动。
2） 测取有关的模型数据。
3） 运用适当理论建立系统的数学描述，即数学模型。
4） 检验所建立的数学模型的准确性。
机电一体化系统数学模型的建立是否得当，将直接影响以此为依据的仿真分析与设计的准确性、
可靠性，因此必须予以充分重视，以采用合理的方式、方法。
（二）机电一体化系统的计算机数字仿真实现：
1） 根据已建立的数学模型和精度、计算时间等要求，确定所采用的数值计算方法。
2） 将原模型按照算法要求通过分解、综合、等效变换等方法转换为适于在数字计算机上运行
的公式、方程等。
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3） 用适当的软件语言将其描述为数字计算机可接受的软件程序，即编程实现。
4） 通过在数字计算机上运行，加以校核，使之正确反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿
真结果。
（三）．凑试法确定PID调节参数
凑试法是通过模拟或闭环运行（如果允许的话）观察系统的响应曲线（例如阶跃响应），然后根
据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。
增大比例系数Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例
系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡；使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
增大微分时间Td亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能
力减弱，对扰动有较敏感的响应。
在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例，后积分，再微分
的整定步骤。
1. 首先只整定比例部分。即，将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、
超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只
需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。
2. 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。
（1）整定时首先置积分时间Ti为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小（如
缩小为原值的0.8倍），
（2）然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。
（3）在此过程中，可根据响应曲线的好环反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制
过程与整定参数。
3. 若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，
构成比例积分微分调节器。
（1）在整定时，可先置微分时间Td为零。
（2）在第二步整定的基础上，增大Td，同时相应地改变比例系数和积分时间，
（3）逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。

四、实验要求
1. 认真复习机电一体化系统建模与仿真的基本理论及步骤；
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2. 学会对机电一体化系统建模的基本方法；
3. 理解PID调节器的含义，复习PID参数整定的几种方法，明确比例、积分、微分三个环节
所起的作用；
4. 学会在MATLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行仿真分析系统的方法。
5. 根据实验的结果写出实验报告。

五、实验特点
本实验综合运用自动控制的理论知识、计算机仿真理论、MATLAB软件以及数控技术等领域的知
识，通过对直流伺服电动机驱动的工作台速度控制系统进行建模与仿真，并用PID控制器进行参数
的整定，理解比例、积分和微分各个环节对控制系统所起的作用，并对课程中所讲的几种参数整定
方法进行练习，体会各种方法的不同及其优缺点，是理论联系实际的一个典型的综合应用。本实验
为设计型实验。
六、实验内容

本实验首先在分析机电一体化系统（直流伺服电动机驱动的工作台速度控制系统如图1所示）
工作原理的基础上，建立系统的数学模型（包括直流伺服电机模型、齿轮减速、滚珠丝杠及工作台
模型），其次对所建立的系统数学模型在MATLAB/ SIMULINK环境下进行计算机仿真，获得该系统的
动态特性和稳态特性（设PID调节器的初值为比例系数为1，无积分和微分环节），第三，对PID控
制器的参数（比例，积分和微分）进行整定，使系统具有合理的稳态响应和动态响应特性，从而使
学生理解比例、积分和微分环节对系统的影响，重点掌握凑试法进行参数整定。最后绘出该机电一
体化系统的阶跃响应动态特性曲线图，分析系统的响应性能。
设该系统为直流伺服电动机驱动的工作台速度控制系统，其中工作台的质量为20KG，减速传
动比i1=5 ，i2=6，丝杠的螺距为5mm，忽略丝杠和齿轮的转动惯量和弹性，电机的转动惯量为0.608
×10-5kgm2，电感量0.1mH，转子内阻0.85Ω，电枢的电势常数4.3v/kr.min-1，转矩常数52.3×
10-3N.m/A。方框图中，G1为PID调节器，G2为功率放大器KA =10，G3为电动机及负载的特性，G4为
齿轮（与电机相连的齿轮）及丝杠的传动比，G5为与传感器1相连的轮系引起的转速调节系数，
G
6

为传感器的反馈比例系数Kr =1。
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图1 机电一体化系统模型
1. 对给定的机电一体化系统方案，应用所学的基础知识建立相应的数学模型。
2. 根据建立起来的数学模型，在MATLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行仿
真的实验，得出系统的动态特性和稳态特性。（PID控制器的参数由实验者给定）
3. 根据实验结果对PID控制的参数进行整定，使系统具有合理的稳态响应和动态响应特性。

七、实验步骤
1. 对如图所给的机电一体化系统，分析系统的工作原理。
2. 对该系统，根据分析的结果建立系统的数学模型。
3. 对所建立的系统数学模型进行计算机仿真，获得该系统的动态特性和稳态特性（设PID调
节器的初值为比例系数为1，无积分和微分环节）
4. 对PID控制器的参数（比例，积分和微分）进行整定，使系统具有合理的稳态响应和动态
响应特性。并给出该机电一体化系统的阶跃响应动态特性曲线图，分析系统的响应性能。
八、实验报告要求
根据已知参数建立数学模型，并在MATLAB/ SIMULINK环境下对机电一体化系统数学模型进行
仿真的实验，得出系统的动态特性和稳态特性。PID控制器的参数由实验者调整，并按照仿真结果
填写实验报告。

+
－
G2 G4 G5 Kr KA 丝杠转速 11i21iG3

G6
G1

功放
电机
滚珠丝杠

工作台

i
1

丝杠转速
+
－
i2
1

PID
调节器
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运用MATLAB/Simulink进行系统仿真实验报告
请根据实验要求填写下表结果：：
1. 超调百分比δ%<8%
2. ts时的瞬态响应与稳态值之间的偏差（%）＝2%

序号 PID参数值 Mp δ% tr tp（s） ts（s） ts时的
偏差（%）
阶跃响应波形图

P I D

1
2
3
4
5

结
论

备
注

九、实验考核要求
期末总成绩=平时考勤成绩+平时作业成绩+实验成绩+考试成绩。
实验考核总体分为三部分：实验预习：20%；实验操作：50%；实验报告质量：30%

十、实验参考资料
1. 张建民. 机电一体化原理与应用. 北京：国防工业出版社，1992.
2. 薛定宇， 陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社，2002.
3. 张建民. 机电一体化原理与应用. 北京：国防工业出版社，1992.
4. 李建勇.机电一体化技术. 北京：科学出版社，2004.

十一、思考题
1. 怎样建立机电一体化系统的数学模型？
2. 怎样对机电一体化系统的PID调节器参数进行整定？
3. 比例、积分、微分三个环节分别起什么作用？

合集下载

Matlab simulink 上机实验报告 简单版

Matlab simulink 上机实验报告 简单版

201006113 11002 Matlab上机实验报告
◆实验一: Smulink动态仿真集成环境
➢ 1.目的要求
➢熟悉simulink环境, 掌握simulink的仿真方法。

➢ 2.掌握要点
➢熟悉simulink环境, 掌握simulink的仿真方法。

➢ 3.实验内容
➢熟悉simulink环境；
➢熟悉基本的模块库以及功能模块
➢搭建简单的电路进行仿真；
➢对分析参数对结果的影响；
1.建立如图所示的仿真系统.
完成过程:
********* ***** 结果如下:
◆ 2.建立如图所示的仿真系统.
◆将红色区域部分创建并封装装成子系统
完成过程:
没有设置子系统时:
没有设置子系统时的结果如下:
以下开始设置子系统并封装: 修改变量后:
最终如下图所示:
开始封装设置过程: 设置子系统各个参数
设置完成后如下图所示:
双击设置好的封装并分别输入与变量对应的参数如下:
运行结果如下:。

控制系统MATLAB仿真实验指导书.

控制系统MATLAB仿真实验指导书.

1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MATLAB 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SIMULINK 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：n n 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MATLAB 中，都可直接用分子/分母多项式系数构成的两个向量num 与den 构成的矢量组[num ,den ]表示系统，即num =],,,[10m b b b den =],,,[10n a a a建立控制系统的传递函数模型（对象）的函数为tf (),调用格式为：sys=tf (num ,den )sys=tf (num ,den ,Ts)sys=tf(othersys)sys=tf (num ,den )返回的变量sys 为连续系统的传递函数模型。

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

sys=tf(othersys)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DSP 形式），转换为DSP 形式的函数命令为filt()，调用格式为：sys=filt(num ,den )sys=filt(num ,den ,Ts)sys=filt(num ,den )函数用来建立一个采样时间未指定的DSP 形式传递函数。

sys=filt(num ,den ,Ts)函数用来建立一个采样时间为Ts 的DSP 形式传递函数。

系统仿真技术实验指导书(2014年春季实验1-6)

系统仿真技术实验指导书(2014年春季实验1-6)

《系统仿真技术》实验指导书成新明、胡扬编写中南大学信息科学与工程学院2014年5月18日目录实验一MATLAB中矩阵与多项式的基本运算 (1)实验二MATLAB绘图命令 (2)实验三MATLAB程序设计 (3)实验四MATLAB的符号计算与SIMULINK的使用 (5)实验五MATLAB在控制系统分析中的应用 (8)实验六连续系统数字仿真的基本算法 (15)实验一MATLAB中矩阵与多项式的基本运算一、实验任务1．了解MATLAB命令窗口和程序文件的调用。

2．熟悉如下MATLAB的基本运算：①矩阵的产生、数据的输入、相关元素的显示；②矩阵的加法、乘法、左除、右除；③特殊矩阵：单位矩阵、“1”矩阵、“0”矩阵、对角阵、随机矩阵的产生和运算；④多项式的运算：多项式求根、多项式之间的乘除。

二、基本命令训练1．eye(m)2．one(n)、ones(m,n)3．zeros(m,n)4．rand(m,n)5．diag(v)6．A\B 、A/B、inv(A)*B 、B*inv(A)7．roots(p)8．poly9．conv 、deconv10．A*B 与A.*B的区别11．who与whos的使用12．disp、size(a)、length(a)的使用三、实验要求根据实验内容和相关命令进行实验，自拟输入元素，将上述各命令的输入和输出结果写成实验报告一（全部实验完成后交实验报告）。

一、实验任务熟悉MATLAB基本绘图命令，掌握如下绘图方法：1．坐标系的选择、图形的绘制；2．图形注解（题目、标号、说明、分格线）的加入；3．图形线型、符号、颜色的选取。

二、基本命令训练1．plot 2．loglog 3．semilogx 4．semilogy5．polar 6．title 7．xlabel 8．ylabel9．text 10．grid 11．bar 12．stairs13．contour三、实验举例1．t=[0:pi/360:2*pi*22/3];x=93*cos(t)+36*cos(t*4.15);y=93*sin(t)+36*sin(t*4.15);plot(y,x),grid;2． t=0:0.05:100;x=t;y=2*t;z=sin(2*t);plot3(x,y,z,'b:')3．t=0:pi/20:2*pi;y=sin(x);stairs(x,y)4．th=[pi/200:pi/200:2*pi]';r=cos(2*th);polar(th,r),grid5． th=[0:pi/10:2*pi];x=exp(j*th);plot(real(x),imag(x),'r*');grid;四、实验要求在两种或两种以上坐标系绘制3~5个图形，要有颜色、图形种类、注解的不同实验结果写成实验报告二（全部实验完成后交实验报告）。

实验1Simulink软件使用及PID控制仿真实验

实验1Simulink软件使用及PID控制仿真实验

实验1实验名称： Simulink 软件使用及PID 控制仿真实验一、实验目的：1、熟悉MATLAB 的仿真及应用环境。

2、在MATLAB 的环境下用Simulink 对PID 控制策略进行仿真实验。

二、实验内容（含实验中所使用的设备及实验实施步骤）： 实验软件：MA TLAB 6.5以上1. 学习应用Simulink 组件构建一仿真实验系统，以实现对所给定控制对象的PID 控制计算机仿真实验；2. 对象传递函数设定为g(u)=16/(168.02++s s )；3. 实验中，其系统的给定输入信号可设置阶跃和方波二种信号进行仿真实验；4. 实验中，请人为地设置5组不同PID 控制器参数进行对比实验以获得不同的结果；请以图形形式输出PID 控制器仿真结果，并对结果进行分析。

三、程序设计说明：(算法设计思路、流程图和源程序)：1.打开 MATLAB ，调出Simulink2.在弹出的窗口Simulink Libray Brower 中输入 PID 回车，找到PID Controller ，然后调入 nutitled 进行设计。

3.在 Continuous 下选择调入 nutitled 进行设计。

首先是参数设置：4.在 Signal Routing 中找到，调入 nutitled 。

5.在Sinks 中找到，用于显示波形，调入 nutitled。

6.在Commonly Used Blocks 中找到，对他进行设置,得到：7.在Sources 中找到，调入 nutitled。

8.进行连线，得到如下实现图：四、实验结果与结论：（经调试正确的源程序和程序的运行结果（或图表）分析）：由以上的连线图可以通过调节各参数得到所需要的结果:当输入为阶跃响应时第一：没有调节参数时，得到以下结果：第二：调节参数如下：KP=100，KI=1，KD=0 第三：调节参数如下：KP=100，KI=7，KD=1 第四：调节参数如下：KP=50，KI=50，KD=2 第五：调节参数如下：KP=50，KI=50，KD=1。