控制系统CAD与数字仿真实验指导书新版解析.docx
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控制系统CAD与数字仿真实验指导书新版解析
控制系统CAD及数字仿真实验指导书
自动化系
第一章前言.........................................................2
第二章控制系统CAD及数字仿真实验
1.数据处理方法的MATLAB实现.................................4
2.控制系统建模的MATLAB实现.................................5
3.PID校正设计的MATLAB实现.................................6
4.微分方程的Simulink仿真..................................7
5.S函数的编写和Simulink仿真.........................9
6.图像处理系统的算法和界面设计..........................10
第一章前言
本实验课程是与学科基础选修课程《控制系统CAD及数字仿真》相配合的实践课程。
作为联系自动控制理论、自动控制系统设计、课程设计、毕业设计等教学环节的仿真技术类课程,其不仅可以使学生加强课程的学习效果,而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具,有效加强教学中的实践性教学环节,提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。
开设本课程的目的,主要是培养学生运用MATLAB语言进行编程和仿真的能力,为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。
一、上机实验要求
1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱与SIMULINK软件包。
2、能根据有关控制算法,编写有关的MATLAB程序。
3、能对实验结果进行分析和讨论,得到相关的实验结论。
二、上机实验的基本程序:
1、明确实验任务。
2、提出实验方案。
3、编制有关的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型。
4、进行实验操作,作好观测和记录,保存有关的实验数据。
5、整理实验数据,得出结论,撰写实验报告。
在进行上机实验时,上述程序应让学生独立完成,教师给予必要的指导,以培养学生的动手能力。
要做好各个上机实验,就应做到:
实验前做准备,实验中有条理,实验后勤分析。
实验一数据处理方法的MATLAB实现
一、实验目的
学会在MATLAB环境下对已知的数据进行处理。
二、实验方法
1.求取数据的最大值或最小值。
2.求取向量的均值、标准方差和中间值。
3.在MATLAB环境下,对已知的数据分别进行曲线拟合和插值。
三、实验设备
1.586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2XCD-ROM
2.MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1.在MATLAB环境下,利用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取数据的最大值或最小值,以及向量的均值、标准方差和中间值。
2.在MATLAB环境下,选择合适的曲线拟合和插值方法,编写程序,对已知的数据分别进行曲线拟合和插值。
x
0.01
1.01
2.01
3.01
4.01
y
2.5437
7.8884
9.6242
11.6701
11.9727
x
5.01
6.01
7.01
8.01
9.01
y
13.2189
14.2679
14.6134
15.4045
15.0805
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下,将已知的数据存到数据文件mydat.dat中。
2.然后用load命令从数据文件mydat.dat中把数据调到MATLAB的工作空间中来。
3.在MATLAB环境下,利用MATLAB控制系统工具箱中的函数直接求取数据的最大值或最小值,以及向量的均值、标准方差和中间值。
4.在MATLAB环境下,编写程序,对已知的数据进行曲线拟合和插值。
六、问题与讨论
1、曲线拟合和插值有什么区别?
常用的曲线拟合和插值方法有哪几种,如何用MATLAB函数实现?
2、对数据进行处理有什么实际意义?
3、谈谈实验体会。
实验二控制系统建模的MATLAB实现
一、实验目的
学会在MATLAB环境下对控制系统进行建模。
二、实验方法
1.线性控制系统的建模和模型间的相互转换。
采用tf()、ss()等函数建立子系统模型,可以采用ss2tf()、tf2ss()等函数来实现模型间的相互转换。
采用feedback()、series()等函数进行子系统间的连接。
2.利用BP神经网络对非线性系统进行建模。
研究MATLAB环境下,BP神经网络建立、训练和仿真的方法;利用BP神经网络实现对非线性系统的建模。
三、实验设备
1.586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2XCD-ROM
2.MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1.定摆长起重机运动控制系统动态结构图如下图所示,其中,小车的质量
,吊重质量
,绳长
,摩擦阻尼系数为
,重力加速度取
。
在MATLAB环境下对定摆长起重机运动控制系统进行建模。
2.基于BP网络的肼与过氧化氢反应过程的建模
利用BP神经网络技术模拟肼与过氧化氢的反应过程,以寻找最佳反应条件,用于处理肼类废水。
实验数据如下表所示:
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下,首先用tf()函数建立起重机运动控制系统中子系统的模型,然后用feedback()函数建立起重机运动控制系统的模型。
2.在MATLAB环境下,编写程序进行BP神经网络的创建。
3.在MATLAB环境下,编写程序利用肼与过氧化氢反应过程的数据对BP神经网络进行训练。
4.在MATLAB环境下,编写程序对BP神经网络进行测试。
六、问题与讨论
1、控制系统建模的基本方法有哪些?
采用机理模型法的前提是什么?
2、实验中,所建立BP网络的主要参数有哪些,参数设置为多少?
3、谈谈实验体会。
实验三PID校正设计的MATLAB实现
一、实验目的
学会在MATLAB环境下编写程序来研究PID控制系统中参量
、
、
变化时对于系统校正作用的影响;学会编写程序分别用Ziegler-Nichols整定公式和稳定边界法整定公式计算系统P、PI和PID调节器参数。
二、实验方法
1.研究比例控制作用:
编写程序研究在不同的
值下,闭环系统的单位阶跃响应曲线。
2.研究积分控制作用:
令
,编写程序研究在不同的
值下,闭环系统的单位阶跃响应曲线。
3.研究微分控制作用:
令
,编写程序分别研究在不同的
值下,闭环系统的单位阶跃响应曲线。
4.编写程序调用wendingPID.m函数,实现用稳定边界法整定公式计算系统P、PI和PID调节器参数。
三、实验设备
1.586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2XCD-ROM
2.MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1.已知一过程控制系统如下图所示,其中
,
,
,试分析系统调节器
分别采用比例、积分、微分控制对系统的影响。
2.对上述系统,用稳定边界法函数计算系统调节器
用作P、PI、PID校正时的参数,并给出系统的阶跃响应曲线。
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下,编写函数wendingPID.m。
2.编写有关程序,分析实验结果。
六、问题与讨论
1、分析比例、积分、微分控制对系统的影响?
2、什么是稳定边界法?
如何用稳定边界法进行PID校正设计?
3、谈谈实验体会。
实验四微分方程的Simulink仿真
一、实验目的
了解MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下仿真模型的搭建方法;掌握SIMULINK下模型参数和仿真参数的设置方法;学习SIMULINK封装技术——子系统。
二、实验方法
1.在MATLAB的SIMULINK图形仿真环境下建立起描述该微分方程的模型。
2.对有关模块的参数进行设置后,启动仿真,给出仿真结果。
三、实验设备
1.586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2XCD-ROM
2.MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1.考虑VanderPol方程,其中,初始值为
,
,
。
用Simulink搭建系统的仿真模型,如下所示。
2.考虑简单的线性微分方程:
且方程的初始值为
,
,
,
用Simulink搭建系统的仿真模型。
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下,建立VanderPol方程的仿真模型。
2.设置仿真模型的有关参数后,进行仿真,给出仿真结果。
3.在MATLAB环境下,建立简单的线性微分方程的仿真模型。
4.设置仿真模型的有关参数后,进行仿真,给出仿真结果。
六、问题与讨论
1、在将微分方程转换为Simulink模型时,必须使用什么模块?
2、在Simulink模块下,如果想改变系统的输出方式,同时绘制两条曲线,可以使用什么模块将两路信号混合成一路?
3、谈谈实验体会。
实验五S函数的编写和Simulink仿真
一、实验目的
掌握用MATLAB语言编写S函数的方法。
学习S-Function块在Simulink模型中的使用方法。
二、实验方法
基于M文件S-Function的模板—sfuntmpl.m来编写S函数,实现Simulink模块库的扩展。
三、实验设备
1.586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2XCD-ROM
2.MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1.采用S函数实现模块y=nx,即模块的功能是把一个输入信号n倍以后再输出。
(1)编写S函数timesn.m。
%S函数timesn.m,其输出是输入的n倍
%*************************************************
function[sys,x0,str,ts]=timesn(t,x,u,flag,n)
switchflag,
case0%初始化
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case3%计算输出量
sys=mdlOutputs(t,x,u,n);
case{1,2,4,9}%未使用的flag值
sys=[];
otherwise%出错处理
error(['Unhandleflag=',num2str(flag)]);
end
%*************************************************
%mdlInitializeSizes:
当flag为0时进行整个系统的初始化
%*************************************************
2
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(T)
%调用函数simsizes以创建结构体sizes
sizes=simsizes;
%用初始化信息填充结构体sizes
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=1;
%根据上面的设置设定系统初始化参数
sys=simsizes(sizes);
%给其他返回参数赋值。
x0=[];
str=[];
ts=[-1,0];
%初始化子程序结束
%*************************************************
%mdlOutputs:
当flag值为3时,计算输出量
%*************************************************
functionsys=mdlOutputs(t,x,u,n)
sys=n*u;
%输出量计算子程序结束。
(2)在Simulink环境下搭建以下仿真模型,进行模块的测试。
2.采用S函数来构造非线性分段函数。
(1)编写S函数
function[sys,x0,str,ts]=sfunction(t,x,u,flag)
switchflag,
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case3,
sys=mdlOutputs(t,x,u);
case{1,2,4,9}
sys=[];
otherwise
error(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);
end
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=1;
sys=simsizes(sizes);
x0=[];
str=[];
ts=[00];
functionsys=mdlOutputs(t,x,u)
……
(2)在Simulink环境下搭建以下仿真模型,进行模块的测试。
五、实验步骤
1.在MATLAB环境下,编写S函数实现Simulink模块。
2.在Simulink环境下搭建仿真模型,进行仿真。
六、问题与讨论
1、谈谈S函数的作用和编写方法?
2、如何在Simulink环境中运行S-Function模块?
3、谈谈实验体会。
实验六图像处理系统的算法和界面设计
一、实验目的
掌握图像处理的基本算法,包括图像的读写、显示;图像的类型转换、图像的几何操作;图像的添加噪声;图像的平滑与滤波等。
了解MATLAB环境下界面设计的基本方法。
二、实验方法
在可视化界面开发环境Guide中进行图像处理系统的界面设计,并添加图像处理的有关程序。
三、实验设备
1.586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2XCD-ROM
2.MATLAB7.0及以上含CONTROLSYSTEMTOOLBOX。
四、实验内容
1.编写有关程序用插值法进行图像放大或缩小。
2.编写有关程序用插值法进行图像旋转。
3.编写有关程序实现图像平滑处理。
4.编写有关程序实现图像的中值滤波。
5.在可视化界面开发环境Guide进行图像处理系统的界面设计。
如下所示:
五、实验步骤
1.编写图像处理的有关程序。
2.进行界面设计。
六、问题与讨论
1、用什么函数可以进行图像的读取和保存?
2、可视化界面开发环境Guide中有什么控件?
3、谈谈实验体会。
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