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控制系统CAD与仿真_实验指导书

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《控制系统CAD与仿真》实验指导书 计控学院自动化系 1

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),1ln(21)2(185sin2)1(3.03.0322201aaaeezixxxzezaa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(2224ttttttttz其中

提示：用逻辑表达式求分段函数值。 3、已知：

]2:);],3,1([,)5(\/)4(3.3)3(*.A*)2()I(*6)1(723302131,76538773443412BABAABBAAABBAIBABABA和

和

和和为单位矩阵其中和求下列表达式的值：

4、设有矩阵A和B 2

。子矩阵赋给的右下角求矩阵。求它们的乘积D23C)2(C)1(11134079423096171603,25242322212019181716151413121110987654321

BA

三、 预习要求： 利用所学知识，编写实验内容中1到4的相应程序，并写在预习报告上。 3

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2122111222xxxxxxxy 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，并写在预习报告上。 4

实验三 绘图操作 一、 实验目的 1、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句 2、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制

二、 实验内容： 1、 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] 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）坐标轴控制：显示范围、比例、网络线 （3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本；

区间绘制函数曲线。在、已知55-0)1ln(210y322xxxxxe

x

区间的三维曲线。在、绘制方程]2,0[cossin4ttztytx 区间的图形。，在、绘制方程]11[y],2,2[4y9x4522x 三、 预习要求： 利用所学知识，编写实验内容中1到5的相应程序，并写在预习报告上。 5

实验四 数据处理与多项式计算 一、 实验目的 1、掌握多项式的常用运算； 2、掌握数据统计和分析的方法； 3、掌握数值插值与曲线拟合的方法及其应用。

二、 实验内容： 1、多项式 （1）建立多项式42)(3xxxp，并求出p(x)=0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的特征值。

2、 将100个学生5门功课的成绩存入矩阵P中，进行如下处理： （1）分别求每门课的最高分、最低分及相应学生序号。 （2）分别求每门课的平均分和标准方差。 （3）五门课总分的最高分、最低分及相应学生序号。 （4）将5门课总分按从小到大顺序存入zcj中，相应学生序号存入xsxh。 提示：上机调试时，为避免输入学生成绩的麻烦，可用取值范围在[45，95]之间的随机矩阵来表示学生成绩。

3、已知lgx在[1，101]区间10个整数采样点的函数值如实验表1所示。 实验表1 lgx 10个采样点的函数值 x 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101

lg x 0 1.0414 1.3222 1.4914 1.6128 1.7076 1.7853 1.8513 1.9085 1.9590 2.0043

试求lgx的5次拟合多项式p(x)，并绘制出lgx和p(x)在[1，101]区间的函数曲线。 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。 6

实验五 控制系统时域，频域和根轨迹分析 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

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从图上读取最大超调量，绘制系统的单位脉冲响应、零输入响应曲线。

（2）典型二阶系统传递函数为：

当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的单位阶跃响应。 （3）典型二阶系统传递函数为：

当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的单位阶跃响应。 2、频域分析 （1）典型二阶系统传递函数为：

当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的伯德图 （2）典型二阶系统传递函数为：

当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的伯德图。 3、根轨迹分析 根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定的K 7

值范围。 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。 8 实验六 控制系统稳定性分析 一、实验目的 1、掌握如何使用Matlab进行系统的稳定性分析 2、掌握如何使用Matlab进行系统的能观测性、能控性分析 3、掌握如何使用Matlab进行离散系统分析

二、实验内容 1、系统稳定性分析 （1）代数法稳定性判据：（用求分母多项式的根和routh函数两种方法） 已知系统的开环传递函数为：.

试对系统闭环判别其稳定性 （2）根轨迹法判断系统稳定性： 已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：

试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置， 并判断在该点系统闭环的稳定性。 （3）Bode图法判断系统稳定性： 已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：

用Bode图法判断系统闭环的稳定性。 2、系统能控性、能观性分析 已知连续系统的传递函数模型，

当α分别取－1，0，＋1时，判别系统的能控性与能观性 3、已知离散系统传递函数

自动选择频率范围，绘制出系统的频率响应曲线，包括Bode图和Nyquist图，并求出幅值裕度和相角裕度。

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。 实验七 古典控制系统设计——根轨迹法 一、实验目的 掌握使用根轨迹法进行控制系统设计的方法 二、实验内容： 1、 根据二阶系统如图所示，其中ζ=0.6，ωn=5rad/s,当有一阶跃信号作用于系统时， 试计算特征量tr、tp、ts、σp

2、 设单位负反馈系统的开环传递函数为： 试确定带惯的PD控制器的串联超前校正参数，使之满足： （1）阶跃响应的超调量：； （2）阶跃响应的超调时间：。 三、预习要求： 利用所学知识，编写实验内容中1到2的相应程序，并写在预习报告上。 2

实验八 古典控制系统设计——Bode图法 一、实验目的 掌握使用Bode图法进行控制系统设计的方法 二、实验内容 1、设单位负被控对象的传递函数为：

其设计要求： 2、设有单位负反馈系统，其开环传递函数为：

其设计要求：，相角裕度为50度，幅值裕度为10dB，试确定超前—滞后串联校正装置，以满足性能指标。

三、预习要求： 利用所学知识，编写实验内容中1到2的相应程序，并写在预习报告上。

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《控制系统计算机仿真》实验指导书

《控制系统计算机仿真》实验指导书

《控制系统计算机仿真》实验指导书实验一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qrt（开方）函数的使用方法；2、矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[12;34];B=[55;78];求A^2某B（2）矩阵除法已知A=[123;456;789];B=[100;020;003];A\B,A/B（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6某i,4,9-i];求A.',A'（4）使用冒号选出指定元素已知：A=[123;456;789];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(某)=某3-2某-4的根（2）已知A=[1.2350.9;51.756;3901;1234]，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=co(t)，t∈[0，2π]（2）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=co(t-0.25)和正弦曲线y=in(t-0.5)，t∈[0，2π]5、基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的某1=10int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。

实验二Matlab中控制系统的建模与分析一、实验目的1、掌握Matlab中连续、离散系统各种数学模型的建立方法；2、掌握Matlab中各种数学模型之间的转换方法；3、熟悉Matlab中控制框图的化简方法；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进行系统的可控性、可观测性分析；6、掌握如何使用Matlab进行系统的时域数值分析；二、实验内容1、连续线性系统的数学模型建立及转换请用合适的格式，将下面的传递函数模型输入MATLAB环境，并转换成状态空间形式、零极点形式、画出零极点位置。

控制系统数字仿真与cad第5章控制系统的计算机辅助分析

控制系统数字仿真与cad第5章控制系统的计算机辅助分析

更一般的，利用函数P=lyap(A ,Q)可以求解下面给出的李雅普诺夫方程。 AP+PB=-Q (5-4) 对于离散系统的李雅普诺夫方程的求解函数为 dlyap(). 【例5-4】设系统的状态方程为 其平衡状态在坐标原点处，试判断该系统的稳定性。 解：MATLAB程序为： %ex5_4.m A=[0 1;-1 -1];Q=eye(size(A));P=lyap(A,Q); i1=find(P(1,1)>0);n1=length(i1); i2=find(det(P)>0);n2=length(i2); if(n1>0 & n2>0) disp('P>0,正定，系统在原点处的平衡状态是渐进稳定的'); else disp('系统不稳定'); end
【例5－6】假设系统的开环传递函数为 试求该系统在单位负反馈下的阶跃响应曲线和最大超调量。 解：MATLAB程序为： %ex5_6.m num0=20;den0=[1 8 36 40 0];[num,den]=cloop(num0,den0); t=0:0.1:10;[y,x,t]=step(num,den,t);plot(t,y) M=((max(y)-1)/1)*100;disp([‘最大超调量M=‘ num2str(M) ‘%’]) 执行结果为：最大超调量M＝2.5546%，单位阶跃响应曲线如图5－3中曲线所示。
图5-3 例5－6的单位阶跃响应曲线
例5-7 对于典型二阶系统 试绘制出无阻尼自然振荡频率ωn=6，阻尼比ζ分别为0.2,0.4,…,1.0,2.0时系统的单位阶跃响应曲线。
解 MATLAB程序为 %Example5_7.m wn=6;zeta=[0.2:0.2:1.0:2.0]; figure(1);hold on for k=zeta; num=wn.^2; den=[1,2*k*wn,wn.^2]; step(num,den);end title('Step Response');hold off 执行后可得如图5-5所示的单位阶跃响应曲线。 从图中可以看出，在过阻尼( ) 和临界阻尼( ) 响应曲线中，临界阻尼响应应具有最短的上升时间，响应速度最快；在欠阻尼（ ） 响应曲线中，阻尼系数越小，超调量越大，上升时间越短，通常取
《控制系统数字仿真与CAD 第4版》课件第3章 控制系统的数字仿真

《控制系统数字仿真与CAD 第4版》课件第3章 控制系统的数字仿真


传递函数如下：
Id (s) 1/ R Ud 0 (s) E(s) Tl s 1
（3-5）
电流与电动势间的传递函数为：
E(s)
R
Id (s) IdL (s) Tms
上述式（3-5）、（3-6）可用图的形式描述，如图3-2所示。
（3-6）
直流电动机与驱动电源的数学模型
Ud0 s
1/ R Tl s 1
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
一、 双闭环V-M调速系统的目的
双闭环V-M调速系统着重解决了如下两方面的问题： 1. 起动的快速性问题
借助于PI调节器的饱和非线性特性，使得系统在电动机允许的过载 能力下尽可能地快速起动。
理想的电动机起动特性为
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
从中可知 1）偏差使调节器输出电压U无限制地增加(正向或负向)。因此，输 出端加限制装置（即限幅Um)。 2）要使ASR退出饱和输出控制状态，一定要有超调产生。 3）若控制系统中（前向通道上）存在积分作用的环节，则在给定 作用下，系统输出一定会出现超调。
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
三、 关于ASR与ACR的工程设计问题
对上式取拉普拉斯变换，可得“频域”下的传递函数模型为：
Ud 0 (s) Uct (s)
K s eTs s
（3-7）
由于式（3-7）中含有指数函数 eTss，它使系统成为“非最小相位系统”；
为简化分析与设计，我们可将 eTss 按泰勒级数展开，则式（3-7）变成：
Ud 0 (s) Uct (s)
KseTss
n hTn 50.01834s 0.0917s
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
《控制系统CAD及仿真》课程设计任务书(2014)

《控制系统CAD及仿真》课程设计任务书(2014)

《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。