MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告Word文件下载.docx

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（1）在MATLAB中得SimulinkLibraryBrowser窗口下找到符合要求得模块,搭建模型,如图5所示。

图5

（2）修改各模块参数,运行仿真,单击“start”,点击示波器,得到如下结果,图6

图6

实验2MATLAB/Simulink在控制系统建模中得应用

1、掌握MATLAB/Simulink在控制系统建模中得应用;

1、给定RLC网络如图所示。

其中,

为输入变量,

为输出变量。

求解这个系统得传递函数模型,零极点增益模型以及状态空间模型（假设

）。

2、已知某双环调速得电流环系统得结构图如图所示。

试采用Simulink动态结构图求其线性模型。

题1:

步骤1

从数学上求出系统传递函数。

根据电路基本定理,列出该电路得微分方程,如下:

同时还有

整理以上方程,并在零初始条件下,取拉普拉斯变换,可得:

代入具体数值可得

步骤2使用MATLAB程序代码如下。

clearall;

num=[0,1];

den=[122];

sys_tf=tf（num,den）

[z,p,k]=tf2zp（num,den）

sys_zpk=zpk（z,p,k）

[A,B,C,D]=zp2ss（z,p,k）;

sys_ss=ss（A,B,C,D）

step（sys_tf）;

[A,B,C,D]=linmod（'

Samples_4_12'

）

[num,den]=ss2tf（A,B,C,D）;

printsys（num,den,'

s'

）;

实验3MATLAB/Simulink在时域分析法中得应用

1、掌握时域分析中MATLAB/Simulink函数得应用;

2、掌握MATLAB/Simulink在稳定性分析中得应用。

1、某随动系统得结构如图所示。

利用MATLAB完成如下工作:

（1）对给定得随动系统建立数学模型;

（2）分析系统得稳定性,并且绘制阶跃响应曲线;

（3）计算系统得稳态误差;

（4）大致分析系统得总体性能,并给出理论上得解释。

2、已知某二阶系统得传递函数为

（1）将自然频率固定为

分析

变化时系统得单位阶跃响应;

（2）将阻尼比

固定为

分析自然频率

变化时系统得阶跃响应（

变化范围为0、1~1）。

步骤1求取系统得传递函数。

首先需要对系统框图进行化简。

不难瞧出,题中给出得系统包含两级反馈:

外环就是单位负反馈;

内环则就是二阶系统与微分环节构成得负反馈。

可以利用MATLAB中得feedback函数计算出系统得传递函数,代码如下。

cic;

clearaii;

num1=[20];

den1=[120];

sys1=tf（num1,den1）;

num2=[0、10];

den2=[01];

sys2=tf（num1,den2）;

sys_inner=feedback（sys1,sys2）;

sys_outer=feedback（sys_inner,1）

程序运行结果为:

Transferfunction:

20

--------------

s^2+4s+20

这样就得到了系统得总传递函数,即G（s）=20

S^2+4s+20

步骤2进行稳态分析。

根据求得得传递函数,对系统进行稳态性分析,代码如下:

den=[1420];

roots（den）

pzmap（sys_outer）;

gridon;

程序运行结果如下:

ans=-2、0000+4、0000i

-2、0000-4、0000i

系统得零极点分布图如图1所示

图1系统得零极点分布图

步骤3求取阶跃响应

计算系统得阶跃响应:

可以采用MATLAB编程实现,还可以利用simulink对系统进行建模,直接观察响应曲线。

MATLAB程序代码如下:

num=[20];

[y、t、x]=steo（num,den）

plot（x,y）;

程序运行结果如图2所示

图2系统阶跃响应曲线

采用simulink对系统进行建模,如图3所示

图3利用Simulink对系统建模

可以从scope中得到系统得不同响应曲线,如下图4,这与编程得结果完全相同得。

图4系统阶跃响应曲线

步骤4分析系统得响应特性。

在上面得语句[y、t、x]=steo（num,den）执行之后,变量y中就存放了系统阶跃响应得具体数值。

从响应曲线中不难瞧出,系统得稳态值为1。

可以利用如下代码计算系统得超调量。

y_stable=1;

max_response=max（y）;

sigma=（max_respomse-y_stable）/y_stable

程序运行结果为

sigma=0、2077

同时可瞧出,系统得稳态误差为0。

示波器error得波形显示如图5所示,可见,当阶跃输入作用系统2s后,输出就基本为1了。

图5系统误差曲线

还可以精确计算出系统得上升时间、峰值时间及调整时间。

如上所述,y中储存了系统阶跃响应得数据;

同时,x中方存放了其中每个数据对应得时间,编写代码如下。

fori=1:

length（y）

Ify（i）>

y_stable

break;

end

end

tr=x（i）

[max_response,index]=max（y）;

tp=x（index）

Ifmax（y（i:

length（y）））<

=1、02*y_stable

Ifmin（y（i;

length（y）））>

0、98*y_stable

break

ts=x（i）

程序运次结果为

tr=0、5298

tp=0、7947

ts=1、9074

即上升时间为0、52s,峰值时间为0、77s,并且系统在经过1、88s后进入稳态。

题2

利用MATLAB建立控制系统得数学模型,并且同时显示Wn=1,阻尼系数取不同值时系统得阶跃响应曲线,代码如下

clc;

clear;

t=linspace（0,20,200）’;

omega=1;

omega2=omega^2;

zuni=[0,0、1,0、2,0、5,1,2,3,5];

num=omega2;

fork=1:

8

den=[12*zuni（k）*omegaomega2];

sys=tf（num,den）;

y（:

k）=step（sys,t）;

figure

（1）;

plot（t,y（:

1:

8））;

grid;

gtext（‘zuni=0’）;

gtext（‘zuni=0、1’）;

gtext（‘zuni=0、2’）;

gtext（‘zuni=0、5’）;

gtext（‘zuni=1’）;

gtext（‘zuni=2’）;

gtext（‘zuni=3’）;

gtext（‘zuni=5’）;

运行程序,结果如图6所示

图6固定自然频率,阻尼比变化时系统得阶跃响应曲线

利用MATLAB在一幅图像得上绘制阻尼系数=0、55,Wn从0、1变化到1时系统得阶跃响应曲线,代码如下

zuni=0、55;

omega=[0、1,0、2,0、4,0、7,1];

5

num=omega2（k）;

den=[12*zuni*omega（k）omega2（k）];

figure

（2）;

5））;

gtext（‘omega=0、1’）;

gtext（‘omega=0、2’）;

gtext（‘omega=0、4’）;

gtext（‘omega=0、7’）;

gtext（‘omega=1、0’）;

运行代码,结果如图7所示

图7固定阻尼系数,自然频率变化时系统得阶跃响应曲线

实验4MATLAB/Simulink在根轨迹分析法中应用

1、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹函数;

2、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹得方法。

1、已知单位负反馈控制系统得开环传递函数

（1）画出这个系统得根轨迹;

（2）确定使闭环系统稳定得增益值

;

（3）分析系统得阶跃响应性能;

（4）利用rltool对系统得性能进行分析。

实验代码1:

num=[11];

den=conv（[10],conv（[1-1],[14]））;

sys=tf（num,den）

输出结果:

s+1

-----------------

s^3+3s^2-4s

实验代码2:

rlocus（sys）;

title（'

¸

ù

¹

ì

¼

£

Í

'

实验代码3:

[k,poles]=rlocfind（sys）

使用rltool进行分析:

K=6

阶跃响应曲线:

实验5MATLAB/Simulink在频域分析法中得应用

1、掌握MATLAB绘制伯德图与乃奎斯特曲线;

2、熟练应用MATLAB分析稳定裕度。

1、已知晶闸管-直流电机开环系统结构图如图所示。

试用Simulink动态结构图进行频域分析并求频域性能指标。

在SIMULINK中建立该系统得动态模型,如下图,并将模型存为“Samples_7_9、mal”。

步骤2求取系统得线性状态空间模型,并求取频域性能指标。

在MATLAB命令窗口中运行以下命令。

Samples_7_9'

sys=ss（A,B,C,D）;

margin（sys）;

程序运行后,输出如下图所示曲线:

从图中可以瞧出:

幅值裕度GM=26、4dB,穿越频率为152rad/sec;

相位裕度PM=54deg,穿越频率为25、5rad/sec。

实验6MATLAB_Simulink在控制系统校正中得应用

1、掌握建立控制系统得数学模型及设计系统得串联校正装置;

2、了解校正前后系统性能得比较。

1、某单位负反馈控制系统得开环传递函数

设计一个串联得校正装置,使校正后得系统静态速度误差系数

相角裕度

增益裕量

步骤1:

确定开环传递函数中得系数K。

系统得静态速度误差系数计算公式为

LimsG（s）lim=K*S=limK=K

s（s+1）（s+2）（s+1）（s+2）2

根据题目要求,校正后得系统静态误差系数最小为10s*-1,因此可求得K＝20,故可求得系统得开环传递函数为G（s）=20

S（s+1）（s+2）。

步骤2:

建立控制系统得数学模型

代码如下:

num_open=[020];

den_open=conv（conv（[10],[11]）,[12]）;

sys_open=tf（num_open,den_open）

步骤3:

分析系统得动态特性

[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin（sys_open）

margin（sys_open）;

运行结果为:

Gm=0、3000

Pm=-28、0814

Wcg=1、4142

Wcp=2、4253

系统响应曲线如图1

图1

步骤4:

设计系统得串联校正装置

首先设计滞后环节,假定系统增益穿越频率为1,取零极点之比为10,系统响应曲线如图2

图2

相应代码如下:

num_zhihou=[10、1];

den_zhihou=[10、01];

sys_zhihou=tf（num_zhihou,den_zhihou）;

sys_new=sys_open*sys_zhihou

margin（sys_new）;

再设计超前校正,系统响应曲线如图3

不难瞧出此时闭环系统得增益裕量为13、3,相角裕量为52、5,增益穿越频率为1、37;

各项参数均符合题设要求。

num_chaoqian=[10、5];

den_chaoqian=[15];

sys_chaoqian=tf（num_chaoqian,den_chaoqian）;

sys_new=sys_new*sys_chaoqian;

对比校正前后系统得频率响应如图4

图4

bode（sys_open）;

holdon;

bode（sys_new）;

gtext（'

Ð

Õ

ý

Ç

°

µ

Ä

gtext（'

º

ó

gridon

综上所述,校正后得开环传递函数为

20s^2+12s+1

----------------------------------

s^5+8、01s^4+17、08s^3+10、17s^2+0、1s

实验7MATLAB/Simulink在非线性系统中得应用

1、掌握非线性系统阶跃响应得分析。

1、给定如图所示得单位负反馈系统。

在系统中分别引入不同得非线性环节（饱与、死区与磁滞）,观察系统得阶跃响应,并且分析、比较不同得非线性环节对系统性能得影响。

步骤1利用MATLAB中得simulink工具箱,对题设控制系统进行建模,如下图1,没有任何非线性环节得系统,其阶跃响应曲线如下图2。

图1

图2

步骤2在系统中加入饱与非线性环节,系统框图3所示,其中,饱与非线性环节得输出上限为0、1,输出下限为-0、1;

阶跃信号幅值为1

图3

利用simulink进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图4

为了比较饱与非线性环节得输出上下限变化时系统阶跃响应得不同,可以利用simulink中得ToWorkspace模块,将多次仿真得结果记录到工作空间得不同数组中,并且绘制在同以一幅图像上,此时,系统框图如图5。

图5

设定饱与非线性环节输出上限为0、05,输出下限为-0、05,将仿真得结果记录到工作空间中得变量out1中;

输出上限为0、1输出下限为-0、1时,仿真结果存放在out2中;

输出上限为0、2,输出下限为-0、2时,仿真结果存放在out3中;

输出上限为0、5,输出下限为-0、5时,仿真结果存放在out4中。

将4种情况下系统得阶跃响应曲线绘制在同一幅图像中,代码如下。

plot（tout1,out1）;

0、05'

plot（tout2,out2）;

0、1'

plot（tout3,out3）;

0、2'

plot（tout4,out4）;

0、5'

运行程序,结果如下图6:

从图6中可以瞧出,当饱与非线性环节得输出范围较窄时,系统得阶跃响应速度较慢,上升时间长;

同时,超调量较小,振荡不明显;

随着输出范围得扩大,系统得响应速度加快,上升时间大大减少,同时伴有显著得振荡。

这就是因为饱与环节会对信号起到限幅作用。

不难想象,限制作用越强,系统得输出越不容易超调,响应也会越慢,这从图6中夜可以瞧出这一趋势。

步骤3在系统中引入死区非线性环节,系统框图如图7所示。

其中,死区范围为[-0、1,0、1];

阶跃信号幅值为1。

图7

利用simulink进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图7所示。

同样,为了对比范围不同时系统得阶跃响应,采用Simulink中得ToWorkspace模块,将仿真得结果保存在工作空间得数组里。

绘制阶跃响应曲线得代码如下:

0、2’）;

0、5’）;

1、0’）;

2、0’）;

运行程序,结果如图8:

图8

图中曲线上标注得0、2、0、5、1、0、2、0表示死区范围,不难瞧出,随着死区范围得增加,系统开始响应阶跃输入信号得时刻也逐渐推迟。

这就是因为死区环节会将死区内得输入“忽略”,使得系统得响应变慢。

步骤4尝试在系统中同时加入死区单元与饱与单元,系统框图如图9所示。

图9

利用simulinh进行仿真,得到得阶跃响应曲线如图10所示:

图10

步骤5在系统中引入滞环非线性环节。

结果如下:

实验8MATLAB/Simulink在离散控制系统中得应用

1、掌握

2、了解采样周期对离散系统稳定性得影响。

1、建立题目中要求得数学模型,MATLAB代码如下。

Ts=1;

num=[1,1];

den=[1,0,0];

sys_continue=tf（num,den）

sys_discrete=c2d（sys_continue,Ts,'

zoh'

sys_k=1;

sys_open=sys_k*sys_discrete

运行结果如下

1、5z-0、5

-------------

z^2-2z+1

Samplingtime:

1

2、绘制系统得根轨迹。

代码如下

rlocus（sys_discrete）;

运行结果如图1所示。

从图中可以读到交点出得开环增益为K=0;

也就就是说,使闭环系统稳定得K得范围就是0<

K<

2。

为了验证这一结论,可以绘制系统幅频特性曲线与Nyquist曲线,代码如下

sys_k=2;

margin（sys_k*sys_discrete）;

figure（3）;

[dnum,dden]=tfdata（sys_k*sys_discr