计算机仿真实验指导书

计算机仿真 实 验 指 导 书 主编：范为幅

中原工学院电子信息学院 二 0 0 四 年 十 月 1

前 言 《计算机仿真》课程是近几十年发展的一门综合性技术学科，尤其对自动控制系统进行分析设计和综合研究提供了先进的手段，这门课程涉及到计算机原理、数值分析、自动控制理论以及控制系统设计等诸方面的内容，是一门综合性与实践性较强的专业课。 由于本门课程是一门综合性实验学科，具有很强的实验性的特点，在教学过程中应特别注意加强实验环节，配合课堂教学的进程，加强理论与实践紧密结合，学以致用。为此我们编写了计算机仿真实验指导书，作为上机实验参考。 《计算机仿真》实验包括六个上机实验，供我院自动化类专业教学选用。实验内容包括：面向系统结构图的仿真程序调试、初试MATLAB、基于MATLAB的系统时域分析、系统的根轨迹与频域分析、SIMULINK设计、基于MATLAB的系统分析与设计。 本书由范为福老师编写，王东云、王小雷、张谦老师审核。 2

目 录 第一章 概述 ……………………………………………………………………3 第二章 实验要求及注意事项 …………………………………………………4 第三章 实验项目 ………………………………………………………………5 实验一 面向系统结构图的仿真程序调试 ……………………………………5 实验二 初试MATLAB ……………………………………………………………9 实验三 基于MATLAB的系统时域分析…………………………………………12 实验四 系统的根轨迹与频域分析 ……………………………………………15 实验五 SIMULINK设计…………………………………………………………13 实验六 基于MATLAB的系统分析与设计………………………………………13 第四章 上机实验涉及的程序清单及常用命令函数 …………………………16 第五章 参考文献…………………………………………………………………22 3

第一章 概 述 控制系统的计算机仿真是分析、研究、设计自动控制系统的一种快速而经济的辅助手段，同时它还是控制系统教育和训练的一种有效方法，是从事自动控制研究与工程设计技术人员必须掌握的一门技术,因而在自动控制领域中已得到广泛的重视与应用。随着科学技术的不断进步，计算机在人类社会各领域中发挥越来越重要的作用。对控制科学与工程及相关学科的在校大学生提出了更高的要求——不仅要求懂得自动控制原理与控制工程，还应掌握使用数字计算机进行控制系统设计、分析与综合的基本技能。 《计算机仿真》课程就是为本科生开设的专业任选课。其目的在于使学生了解计算机仿真技术的发展与应用，掌握计算机仿真技术的基本原理与方法，能够使用MATLAB语言编写控制系统仿真程序、用SIMULINK等进行控制系统的数字仿真。为进一步从事控制科学与工程及相关的研究、控制系统开发奠定基础。 《计算机仿真》课程具有很强的实验性的特点，仿真实验是课程教学的一个重要环节，为了配合课堂教学的进程，上机实验课与课堂教学相互穿插进行，加强理论与实践相结合。通过上机实践要求学生能够使用MATLAB语言编写控制系统的仿真程序、用SIMULINK等进行控制系统的数字仿真。 《计算机仿真》实验包括六个上机实验，供我院自动化类专业教学选用。实验内容包括：面向系统结构图的仿真程序调试、初试MATLAB、基于MATLAB的系统时域分析、系统的根轨迹与频域分析、SIMULINK设计、基于MATLAB的系统分析与设计。每个实验给出实验内容及要求，要求学生予习及准备阶段做的设计工作较多，意在使学生了解利用MATLAB从系统建模到设计、仿真的全过程，以提高分析问题和解决问题的能力。当然也完全可以根据学生情况组织小组讨论或教师给予必要的提示，重新编排上机实验或选择更合理的实验参数。 4

第二章 实验要求及注意事项 一、预习要求： 要求认真阅读实验指导书，复习与实验相关的理论知识，根据要求写出预习报告（如实验内容、仿真程序等）。 二、实验要求： 要求每个学生都必须认真完成每一个实验，学以致用；撰写实验报告，对仿真结果进行分析。 三、实验报告要求： ① 实验名称 ② 实验目的或要求 ③ 编写仿真程序，记录和整理各个仿真实验的数据和曲线 ④ 对仿真结果进行分析 5

第三章 实验项目 实验一 面向系统结构图的仿真程序调试 一、实验目的 1． 熟悉以结构图形式描述的连续系统的数字仿真方法和步骤。 2． 了解仿真程序的使用方法以及使用的限制条件。 3． 学会分析系统环节参数变化对系统动态特性的影响。 二、实验属性 （验证性） 三、实验要求 实验前，要求预习结构图仿真程序的原理和程序的各变量的含义，使用方法及条件；准备好运行程序所需的计算用参数，熟悉各参数输入方法。实验中要认真进行仿真程序调试，进行仿真实验，了解系统参数变化对动态特性的影响并记录实验数据或曲线。实验后写出实验报告，并对仿真实验结果进行分析、讨论。 四、实验内容与步骤 一、调入面向系统结构图的仿真程序FZ1（程序见附录C），了解仿真程序的使用方法及程序调试。 二、使用仿真程序FZ1，对图1-1所示控制系统进行仿真研究。当系统参数分别为：

（1）02.01p，103p，1004p，1.01z

（2）2.01p，103p，1004p，1.01z （3）2.01p，103p，1004p，11z 试确定在阶跃信号输入下系统的动态特性。计算各系统的动态性能指标，并进行分析。

图1-1 控制系统结构图 6

实验二 初试MATLAB 一、实验目的 1．熟悉视窗下的MATLAB环境； 2．掌握MATLAB软件的基本使用方法； 3．应用MATLAB命令建立系统数学模型； 4．掌握利用MATLAB软件进行控制系统模型转换的方法。 二、实验属性 （验证性） 三、实验仪器设备及器材 1．硬件要求 基于IBM-PC或与之完全相兼容的带有中央处理器的奔腾及其以上机器至少64KB内存，推荐使用128KB以上内存。 2． 软件要求 安装有MATLAB，并且有Microsoft Word7.0（office95）以上支持的操作系统。 四、实验要求 实验前要求熟悉相关MATLAB函数并预习实验的相关内容，写出预习报告。实验时要按要求完成上机实验内容并且检验和调整程序，观察并记录仿真结果。实验后写出实验报告，并对仿真实验结果进行分析、讨论。 五、实验内容与步骤 1．双击MATLAB6.5的图标，运行MATLAB时，展示在用户面前的为桌面环境的缺省界面窗口，如图2-1所示。

图2-1 MATLAB的桌面环境 7

要求熟悉视窗下的MATLAB环境，分别观察和熟悉菜单项、工具栏、历史命令窗口、命令窗口、当前目录浏览器、工作空间浏览器、目录分类窗口、M文件编辑器/调试器、超文本帮助浏览器。 2．单击工具栏中帮助按钮（或者单击Help菜单中的MATLAB Help），打开MATLAB6.5的帮助系统，练习和熟悉MATLAB6.5的帮助系统的使用。 3．应用MATLAB命令编写相应M文件,建立图2-2系统的数学模型——闭环传递函数。

图2-2 调速系统 8 实验三 基于MATLAB的系统时域分析 一、实验目的 1．熟悉MATLAB的各种绘图命令； 2．掌握基于MATLAB的控制系统时域分析方法。 二、实验属性 （验证性） 三、实验仪器设备及器材 1．硬件要求 基于IBM-PC或与之完全相兼容的带有中央处理器的奔腾及其以上机器至少64KB内存，推荐使用128KB以上内存。 3． 软件要求 安装有MATLAB，并且有Microsoft Word7.0（office95）以上支持的操作系统。 四、实验要求 实验前要求熟悉相关MATLAB函数并预习实验的相关内容，写出预习报告。实验时要按要求完成上机实验内容并且检验和调整程序，观察并记录仿真结果。实验后写出实验报告，并对仿真实验结果进行分析、讨论。 五、实验内容与步骤 1．应用MATLAB的绘图命令，绘制y=3x2+4x-7在[-10 10]之间的图形。 2. 应用MATLAB的绘图命令，绘制y=sinx、y=cosx在一个周期内的图形。

3. 已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为)14)(15.0()(sssKsG，应用MATLAB命令编写相应M文件,绘制系统的K值分别为1.4,2.3,3.5时的单位阶跃响应曲线。 4. 一个二阶系统为KcssKsG2)(，其中c{1，2，4}，K{1.25，2，29}，应用MATLAB命令编写相应M文件,绘制系统对应三组不同参数配合下，同一坐标轴里的三条阶跃响应曲线。 5. 应用MATLAB命令编写相应M文件,分别绘制图3-1各控制系统的单位阶跃响应曲线并比较其动态性能.

图3-1 控制系统 9

实验四 系统的根轨迹与频域分析 一、实验目的 1．熟悉MATLAB的各种函数命令的调用格式； 2．掌握基于MATLAB的控制系统根轨迹与频域分析方法。 二、实验属性 （综合性） 三、实验仪器设备及器材 1．硬件要求 基于IBM-PC或与之完全相兼容的带有中央处理器的奔腾及其以上机器至少64KB内存，推荐使用128KB以上内存。 4． 软件要求 安装有MATLAB，并且有Microsoft Word7.0（office95）以上支持的操作系统。 四、实验要求 实验前要求熟悉相关MATLAB函数并预习实验的相关内容，写出预习报告。实验时要按要求完成上机实验内容并且检验和调整程序，观察并记录仿真结果。实验后写出实验报告，并对仿真实验结果进行分析、讨论。 五、实验内容与步骤 1．熟悉和掌握MATLAB有关控制系统根轨迹法的函数命令及调用格式。设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，应用MATLAB命令编写相应M文件，绘制出相应的闭环根轨迹。

⑴ )15.0)(12.0()(sssKsG

⑵ )12()1()(sssKsG ⑶ )3)(2()5()(*ssssKsG 2．熟悉和掌握MATLAB有关控制系统根轨迹法的函数命令及分析方法。设单位反馈控制系统的开环传递函数为)102.0)(101.0()(sssKsG，应用MATLAB命令编写相应M文件，要求：① 绘制闭环根轨迹； ② 确定系统的临界稳定开环增益； ③ 确定与系统临界阻尼比相应的开环增益。 3．熟悉和掌握MATLAB有关控制系统根轨迹法的函数命令及分析方法。设反馈控制系统中