工程应用软件及其应用培训文档格式.docx
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MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能,以将向量和矩阵用图形表现出来,并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善,而且对于一些其他软件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等),MATLAB同样表现了出色的处理能力。
同时对一些特殊的可视化要求,例如图形对话等,MATLAB也有相应的功能函数,保证了用户不同层次的要求。
另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面(GUI)的制作上作了很大的改善,对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
本次课程设计主要以下内容:
关于自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术、电力拖动自动控制系统的内容各做两个MATLAB仿真,M文件和GUI各做一个MATLAB仿真。
3、设计内容
一、自动控制理论
1.已知系统的开环传递函数为
用MATLAB绘制奈氏图。
解输入命令
G=tf(65*[1,2],conv([1,10],[1,3,2,5])),nyquist(G)
按Enter键,命令窗口输入如下结果,并出现下图所示奈氏图。
Transferfunction:
65s+130
---------------------------------
s^4+13s^3+32s^2+25s+50
奈氏图
2.已知开环传递函数为
用MATLAB绘制根轨迹图。
解将开环传递函数展开:
输入:
n=[1,3];
d=[1,13,54,82,60,0];
rlocus(n,d)
按Enter键,可得下图所示的根轨迹图。
根轨迹图
二、电力电子技术
1.单相半波仿真模型
电源参数为
负载参数为
触发角α=0°
触发角α=30°
触发角α=60°
触发角α=90°
2.三相半波仿真模型
三相电源参数为
三、计算机控制技术
1.下图所示的系统,被控对象为一个带有延迟的惯性环节,试用Ziegler-Nichols经验整定公式,计算PID控制的参数,并且绘制仿真系统单位阶跃响应曲线。
解:
由该系统传递函数可知,K=2,T=30,τ=10.采用Ziegler-Nichols经验整定公式,计算PID控制器的参数如下:
,Ti=2τ=2*10=20,TD=0.5τ=0.5*10=5
因此,PID控制器的传递函数为
构造MATLAB/Simulink模型如下图所示。
系统的仿真结构
仿真曲线
2.直流电动机速度控制系统如下图所示,采用PID控制方案,使用期望特性法来确定Kp、Ki、Kd这3个参数。
建立该系统的Simulink模型,观察其单位阶跃响应曲线,并且分析这3个参数分别对控制性能的影响。
直流电动机PID控制系统
(1)使用期望特性法来设计PID控制器。
首先,假设PID控制器的传递函数为:
,其中Kp、Ki和Kd这3个参数待定。
上图所示的系统闭环的传递函数为
如果希望闭环极点为:
-300、-300、-30+j30和-30-j30,则期望特征多项式为:
。
对应系数相等,可求得Kd=0.067,Kp=4.4156及Ki=119.34。
在命令窗口中输入这3个参数值,并且建立该系统的Simulink模型如图所示。
直流电动机PID控制系统的Simulink仿真模型
直流电动机PID控制系统响应曲线
四、电力拖动自动控制系统
1.直流发电机外特性仿真
一台他励直流发电机的额定数据:
额定电压UN=110V,额定转速n=1500r/min,励磁电流Ifn=1.4A,电枢电阻Ra=2.3Ω。
在额定转速时做发电机外特性试验,测得数据见下表,试绘制发电机的外特性曲线。
直流发电机外特性试验数据
I/A
17
15
13
8.8
7
4.3
U/V
107
108.5
110
112.5
114
116
118
用M语言编写绘制他励直流发电机外特性曲线的MATLAB程序和发电机的外特性仿真曲线如下:
2.比例积分控制的无静差直流调速系统
直流电动机:
额定电压U
=220V,额定电流I
=55A,额定转速n
=1000r/min,电动机电动势系数Ce=0.192V·
min/r。
假定晶闸管整流装置输出电流可逆,装置的放大系数K
=44,滞后时间常数T
=0.00167s。
电枢回路总电阻R=1.0Ω,电枢回路电磁时间常数T
=0.00167s,电力拖动系统共机电时间常数T
=0.0075s。
转速反馈系数α=0.01V·
对应额定转速时的给定电压U
=10V。
用MATLAB画出仿真模型图如下:
比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型图
Scope的波形显示如下:
Scope1的波形显示如下:
五、M文件
1.已知某铁磁材料的基本磁化曲线数据见下表,
(1)试画出基本磁化曲线;
(2)若磁通按正弦规律变化,试画出磁路未饱和时的磁化电流曲线。
表1基本磁化曲线数据
B/T
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
H/(A/m)
5
10
20
25
40
50
60
70
90
150
200
300
1.34
1.38
1.41
1.43
1.45
1.47
1.48
1.49
1.495
1.5
1.55
1.6
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1700
5000
10000
用M语言编写绘制基本磁化曲线和磁路未饱和时的磁化电流曲线的MATLAB程序如下:
运行上述程序,可得到下图所示的仿真结果。
从仿真结果看,由于磁路未饱和,磁化电流也是正弦波形。
六、GUI
1.设计一个显示函数图形的GUI
解先安装控件并排序好,如下图所示:
右击控件,选择callback,进行程序编辑
GUI程序如下:
functionvarargout=untitled333333(varargin)
%UNTITLED333333M-fileforuntitled333333.fig
%UNTITLED333333,byitself,createsanewUNTITLED333333orraisestheexisting
%singleton*.
%
%H=UNTITLED333333returnsthehandletoanewUNTITLED333333orthehandleto
%theexistingsingleton*.
%UNTITLED333333('
CALLBACK'
hObject,eventData,handles,...)callsthelocal
%functionnamedCALLBACKinUNTITLED333333.Mwiththegiveninputarguments.
Property'
'
Value'
...)createsanewUNTITLED333333orraisesthe
%existingsingleton*.Startingfromtheleft,propertyvaluepairsare
%appliedtotheGUIbeforeuntitled333333_OpeningFunctiongetscalled.An
%unrecognizedpropertynameorinvalidvaluemakespropertyapplication
%stop.Allinputsarepassedtountitled333333_OpeningFcnviavarargin.
%*SeeGUIOptionsonGUIDE'
sToolsmenu.Choose"
GUIallowsonlyone
%instancetorun(singleton)"
.
%Seealso:
GUIDE,GUIDATA,GUIHANDLES
%Copyright2002-2003TheMathWorks,Inc.
%Edittheabovetexttomodifytheresponsetohelpuntitled333333
%LastModifiedbyGUIDEv2.522-Dec-201509:
18:
49
%Begininitializationcode-DONOTEDIT
gui_Singleton=1;
gui_State=struct('
gui_Name'
mfilename,...
'
gui_Singleton'
gui_Singleton,...
gui_OpeningFcn'
@untitled333333_OpeningFcn,...
gui_OutputFcn'
@untitled333333_OutputFcn,...
gui_LayoutFcn'
[],...
gui_Callback'
[]);
ifnargin&
&
ischar(varargin{1})
gui_State.gui_Callback=str2func(varargin{1});
end
ifnargout
[varargout{1:
nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:
});
else
gui_mainfcn(gui_State,varargin{:
%Endinitializationcode-DONOTEDIT
%---Executesjustbeforeuntitled333333ismadevisible.
functionuntitled333333_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)
%Thisfunctionhasnooutputargs,seeOutputFcn.
%hObjecthandletofigure
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)
%varargincommandlineargumentstountitled333333(seeVARARGIN)
%Choosedefaultcommandlineoutputforuntitled333333
handles.output=hObject;
%Updatehandlesstructure
guidata(hObject,handles);
%UIWAITmakesuntitled333333waitforuserresponse(seeUIRESUME)
%uiwait(handles.figure1);
%---Outputsfromthisfunctionarereturnedtothecommandline.
functionvarargout=untitled333333_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)
%varargoutcellarrayforreturningoutputargs(seeVARARGOUT);
%Getdefaultcommandlineoutputfromhandlesstructure
varargout{1}=handles.output;
%---Executesonbuttonpressinpushbutton1.
functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)
%hObjecthandletopushbutton1(seeGCBO)
get(handles.pushbutton1,'
String'
)
X=0:
0.1:
4*pi;
plot(X,sin(X));
xlabel('
x'
);
ylabel('
y=sin(x)'
%---Executesonbuttonpressinpushbutton2.
functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)
%hObjecthandletopushbutton2(seeGCBO)
get(handles.pushbutton2,'
plot(X,cos(X));
y=cos(x)'
%---Executesonbuttonpressinpushbutton3.
functionpushbutton3_Callback(hObject,eventdata,handles)
%hObjecthandletopushbutton3(seeGCBO)
2*pi;
plot(X,exp(X));
set(handles.axes1,'
Xlim'
[0,8],'
Ylim'
[0,500]);
set(gca,'
XTick'
[02468]);
YTick'
[050100150200250300350400450500]);
e^x'
点击按钮“sin(x)”运行
点击按钮“cos(x)”运行
点击按钮“e^x”运行
4、设计总结
本次课程其实是理论课程的实践和补充,让我更好的理解和掌握课本的枯燥的理论。
通过实验我对课本里没认识清楚的部分,有了一个认识,补充学习了相关重要的理论知识,更好的掌握了本课程的知识。
在学习中我也认识到了Matlab强大的功能,并掌握了其基本使用方法,也基本掌握了Matlab的程序设计方法,并了解了Matlab在今后的课程学习和工程研究中的应用方法。
这次课程设计非常感谢朱老师和同学们给予我的帮助,让我能够更加深入地了解MATLAB这个软件。
Matlab只是一个工具和帮手,只有具有扎实的专业基础,并通过Matlab加以巩固,才能取得良好的效果,而Matlab强大的功能则需要今后更加努力的学习。
老师提出的GUI设置图形坐标轴,使我认识到自己的不足,在经过老师的解答和网上搜索学习下,我学会了在GUI中设置图表的x,y轴的坐标轴刻度。
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- 工程 应用软件 及其 应用 培训