MATLAB控制新版系统仿真实验报告.docx
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MATLAB控制新版系统仿真实验报告
清华大学自动化工程学院
试验汇报
课程:
控制系统仿真
专业自动化班级122
姓名学号
指导老师:
时间:
年10月19日—10月28日
试验一MATLAB环境熟悉和基础运算…………………………………………………1
试验二MATLAB语言程序设计…………………………………………………………6
试验三MATLAB图形绘制………………………………………………………………9
试验四采取SIMULINK系统仿真……………………………………………………14
试验五控制系统频域和时域分析………………………………………………………17
试验六控制系统PID校正器设计法………………………………………………………23
试验一MATLAB环境熟悉和基础运算
一、试验时间及地点:
试验时间:
.10.19早晨8:
30—9:
30
试验地点:
计算中心
二、试验目标:
1.熟悉MATLAB开发环境
2.掌握矩阵、变量、表示式多种基础运算
三、试验内容:
1、新建一个文件夹(自己名字命名,在机器最终一个盘符)
2、开启MATLAB6.5,将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。
3、保留,关闭对话框
4、学习使用help命令,比如在命令窗口输入helpeye,然后依据帮助说明,学习使用指令eye(其它不会用指令,依据此方法类推)
5、学习使用clc、clear,观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口改变结果。
6、初步程序编写练习,新建M-file,保留(自己设定文件名,比如exerc1、exerc2、exerc3……),学习使用MATLAB基础运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。
注意:
每一次M-file修改后,全部要存盘。
练习A:
(1)helprand,然后随机生成一个2×6数组,观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口改变结果
(2)学习使用clc、clear,了解其功效和作用
(3)输入一个2维数值数组,体会标点符号作用(空格和逗号作用)。
(4)一维数组创建和寻访,创建一个一维数组(1×8)X,查询X数组第2个元素,查询X数组第3个元素到第6个元素,查询X数组第5个元素到最终一个元素,查询X数组第3、2、1个元素,查询X数组中≤5元素,将X数组第2个元素重新赋值为111,实例expm1。
(5)二维数组创建和寻访,创建一个二维数组(4×8)A,查询数组A第2行、第3列元素,查询数组A第2行全部元素,查询数组A第6列全部元素,查询数组A按列拉长形成新数组B(1×8),查询数组A按行拉长形成新数组C(1×8),以全元素赋值方法对数组A赋值。
(6)两种运算指令形式和实质内涵比较。
设有3个二维数组A2×4,B2×4,C2×2,写出全部由2个数组参与正当数组运算和矩阵指令
(7)学习使用表8列常见函数(经过help方法)
(8)学习使用表9数组操作函数
(9)学习字符串创建,a='Thisisanexample.'
串数组大小size(a)
串数组元素标识a14=a(1:
4)ra=a(end:
-1:
1)
对字符串ASCLL码数组操作
w=find(a>='a'&a<='z');
ascii_a(w)=ascii_a(w)-32;%英文大小写字母ASCLL值差32(小-32=大)
char(ascii_a)
练习B
(10)创建符号对象和函数命令sym()、syms()和class()熟悉和利用。
有符号表示式:
试计算
和
四、试验操作过程(试验说明)
>>helprand%用help指令学习rand使用方法
rand-Uniformlydistributedpseudorandomnumbers
ThisMATLABfunctionreturnsapseudorandomscalardrawnfromthestandard
uniformdistributionontheopeninterval(0,1).
r=rand
r=rand(n)
r=rand(sz1,...,szN)
r=rand(sz)
r=rand(classname)
r=rand(n,classname)
r=rand(sz1,...,szN,classname)
r=rand(sz,classname)
r=rand('like',p)
r=rand(n,'like',p)
r=rand(sz1,...,szN,'like',p)
r=rand(sz,'like',p)
>>rand(2,6)%随机生成一个2×6数组
ans=
0.81470.12700.63240.27850.95750.1576
0.90580.91340.09750.54690.96490.9706
>>clear%清除命令窗口
>>[12;34]%输入一个二维数组
ans=
12
34
>>[1,2;3,4]%将空格改为逗号效果一致
ans=
12
34
>>a=[1234;5678];
>>b=a(2:
2,3:
4)%逗号前面是行,后面是列,冒号前后数表示所选范围
b=
78
>>eye(3)%产生单位矩阵
ans=
100
010
001
>>magic(3)%产生魔方矩阵
ans=
816
357
492
>>flipud(ans)%以数组“水平中线”为对称轴,交换上下对称位置上元素
ans=
492
357
816
>>rot90(ans)%逆时针旋转数组90°
ans=
276
951
438
>>a='hello'
a=
hello
>>b=size(a)%字符串a大小为1x5
b=
15
>>symsxypkabc%创建符号对象
>>e1=x^2*a*c*y+a*p*x^2+b*p*x+c*k*y+k*p%创建函数命令
e1=
k*p+a*p*x^2+c*k*y+b*p*x+a*c*x^2*y
>>e2=c*y+p
e2=
p+c*y
>>e1/e2
ans=
(k*p+a*p*x^2+c*k*y+b*p*x+a*c*x^2*y)/(p+c*y)
>>a=[12]
a=
12
>>c=reshape(a,2,1)%改变数组a行数和列数
c=
1
2
五、试验结果及讨论
1.熟悉了MATLAB基础软件操作。
2.经过此次试验熟悉了MATLAB开发环境掌握了矩阵、变量、表示式多种运算了解了*和.*、/和\、^和.^等区分和绝对值、开方e阶乘、正弦、正切运算符号。
3.让我明白了MATLAB实用性。
试验二MATLAB语言程序设计
一、试验时间及地点:
试验时间:
.10.19早晨8:
30—9:
30
试验地点:
黄岛老校区计算中心
二、试验目标:
1、熟悉MATLAB程序编辑和设计环境
2、掌握多种编程语句语法规则及程序设计方法
3、函数文件编写和设计
4、了解和熟悉跨空间变量传输和赋值
三、试验内容:
练习A
1、熟悉MATLAB程序编辑和设计环境
2、用for循环语句实现求1~100和
3、用for循环语句实现编写一个求
阶乘函数文件
练习B
思索题
4、已知一维数组
、
,用for循环语句实现
。
求和函数可用
5、
(1)编写求解一维数组平均值函数文件。
(2)编写求解二维数组平均值函数文件。
四、试验操作过程(试验说明)
1.用for循环语句实现求1~100和,函数名为theSec().
程序:
a=0;
fori=1:
100
a=i+a;
end
fprintf('%d\n',a)
实施结果:
>>theSec%求1~100和
5050
2.用for循环语句实现编写一个求
阶乘函数文件,函数名为jiex(x).
程序:
functionjiex(x)
a=1;
fori=1:
x
a=a*i;
end
fprintf('%d\n',a)
实施结果:
>>jiex(4)%求4阶乘
24
3.已知一维数组
、
,用for循环语句实现
。
求和,函数名用ABsum()
程序:
functiony=ABsum()
a=[2,4,5,8,10];
b=[4,9,6,7,4];
n=5;
sum=0;
fori=1:
n
sum=sum+a(1,i)*b(1,n-i+1);
end
y=sum;
实施结果:
>>ABsum()
ans=
178
4.编写求解任意数组平均值函数文件,函数名为avg(f).
程序:
functiony=avg(f)
[m,n]=size(f);
sum=0;
fori=1:
m
forj=1:
n
sum=sum+f(i,j);
end
end
y=sum/(m*n);
实施结果:
>>a=[1,2,3,4;5,6,7,8]%定义一个数组
a=
1234
5678
>>avg(2*a)%求数组2*a平均值
ans=
9
五、试验结果及讨论
1.编程语句:
循环语句有for循环和while循环,我习惯使用for循环,使用格式以下:
for循环变量=表示式1(初值):
表示式2(增量):
表示式3(终值)
循环语句组
end
条件判定语句if语句格式为:
if表示式
实施语句
end
试验三MATLAB图形绘制
一、试验时间及地点:
试验时间:
.10.21早晨8:
30—9:
30
试验地点:
黄岛老校区计算中心
二、试验目标:
1、学习MATLAB图形绘制基础方法;
2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑基础指令;
3、熟悉掌握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面,并添加图形多种标注;
4、掌握plot、subplot指令格式和语法。
三、试验内容:
练习A
【1】二维曲线绘图基础指令演示。
t=(0:
pi/50:
2*pi)';
k=0.4:
0.1:
1;
Y=cos(t)*k;
plot(t,Y)
plot指令基础操作演示
【2】用图形表示连续调制波形
及其包络线。
t=(0:
pi/100:
pi)';
y1=sin(t)*[1,-1];
y2=sin(t).*sin(9*t);
t3=pi*(0:
9)/9;
y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,'r:
',t,y2,'b',t3,y3,'bo')
axis([0,pi,-1,1])
【3】经过绘制二阶系统阶跃响应,综合演示图形标识。
本例比较综合,包含指令较广。
请耐心读、实际做、再看例后说明,定会有匪浅收益。
clf;t=6*pi*(0:
100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);
tt=t(find(abs(y-1)>0.05));ts=max(tt);
plot(t,y,'r-','LineWidth',3)
axis([-inf,6*pi,0.6,inf])
set(gca,'Xtick',[2*pi,4*pi,6*pi],'Ytick',[0.95,1,1.05,max(y)])
gridon
title('\ity=1-e^{-\alphat}cos{\omegat}')
text(13.5,1.2,'\fontsize{12}{\alpha}=0.3')
text(13.5,1.1,'\fontsize{12}{\omega}=0.7')
holdon;plot(ts,0.95,'bo','MarkerSize',10);holdoff
cell_string{1}='\fontsize{12}\uparrow';
cell_string{2}='\fontsize{16}\fontname{隶书}镇静时间';
cell_string{3}='\fontsize{6}';
cell_string{4}=['\fontsize{14}\rmt_{s}='num2str(ts)];
text(ts,0.85,cell_string)
xlabel('\fontsize{14}\bft\rightarrow')
ylabel('\fontsize{14}\bfy\rightarrow')
二阶阶跃响应图标识
四、试验操作过程(试验说明)
1.二维曲线绘图基础指令演示:
>>t=(0:
pi/50:
2*pi)';
k=0.4:
0.1:
1;
Y=cos(t)*k;
plot(t,Y)
实施结果:
(图3-1)
图3-1
2.用图形表示连续调制波形
及其包络线:
>>t=(0:
pi/100:
pi)';
y1=sin(t)*[1,-1];
y2=sin(t).*sin(9*t);
t3=pi*(0:
9)/9;
y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,'r:
',t,y2,'b',t3,y3,'bo')
axis([0,pi,-1,1])
实施结果:
(图3-2)
图3-2
3.经过绘制二阶系统阶跃响应,综合演示图形标识:
>>clf;t=6*pi*(0:
100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);
tt=t(find(abs(y-1)>0.05));ts=max(tt);
plot(t,y,'r-','LineWidth',3)
axis([-inf,6*pi,0.6,inf])
set(gca,'Xtick',[2*pi,4*pi,6*pi],'Ytick',[0.95,1,1.05,max(y)])
gridon
title('\ity=1-e^{-\alphat}cos{\omegat}')
text(13.5,1.2,'\fontsize{12}{\alpha}=0.3')
text(13.5,1.1,'\fontsize{12}{\omega}=0.7')
holdon;plot(ts,0.95,'bo','MarkerSize',10);holdoff
cell_string{1}='\fontsize{12}\uparrow';
cell_string{2}='\fontsize{16}\fontname{隶书}镇静时间';
cell_string{3}='\fontsize{6}';
cell_string{4}=['\fontsize{14}\rmt_{s}='num2str(ts)];
text(ts,0.85,cell_string)
xlabel('\fontsize{14}\bft\rightarrow')
ylabel('\fontsize{14}\bfy\rightarrow')
实施结果:
(图3-3)
图3-3
五、试验结果及讨论
1,经过这次试验,我学会了MATLAB图形绘制基础方法,掌握了MATLAB图形绘制程序编辑基础指令,而且还知道了利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面,并添加图形多种标注。
2,感觉到了MATLAB强大,而且很实用。
试验四采取SIMULINK系统仿真
一、试验时间及地点:
试验时间:
.10.21早晨8:
30—9:
30
试验地点:
黄岛老校区计算中心
二、试验目标:
1、熟悉SIMULINK工作环境及特点
2、掌握线性系统仿真常见基础模块使用方法
3、掌握SIMULINK建模和仿真方法
4、子系统创建和封装设计
1、试验内容:
练习A
1、SIMULINK仿真实际应用,建立双环调速电流环系统方框图模型,模型参数设为Ks=44;Ts=0.00167;Ta=0.017;R=1;Tm=0.075;Ce=0.1925;Kt=0.01178;T1=0.049;T2=0.088,
(1)在Simulink集成环境下建立模型,在给定信号作用点处输入单位给定阶跃响应信号,0.3秒后在扰动信号点输入单位阶跃响应信号。
并绘制对应响应曲线
(2)计算仿真结果超调量、上升时间、调整时间、稳态误差。
(3)设计PID调整器替换图中百分比积分调整器,调整
,
,
用使系统满足超调量15%,上升时间0.3s,调整时间0.4s要求。
(4)要求对加入PID控制器封装成一个模块使用
封装步骤1创建子系统
封装步骤2封装子系统
封装步骤3设置参数
封装步骤4修改和设计模块图标
四、试验操作过程(试验说明)
1.画出双环调速电流环系统方框图模型,并在Simulink集成环境下建立模型:
(图4-1)
图4-1
2.绘制对应响应曲线:
(图4-2)
图4-2
五、试验结果及讨论
1、SIMULINK基础操作:
1)开启SIMULINK软件包:
能够在MATLAB命令窗口键入“SIMULINK”命令,回车后将弹出SIMULINK图形库浏览器(SIMULINKLIBRARYBREWSER)界面,也能够选择“SIMULINK>LIBRARYBREWSER”一样能够打开该界面;
2)SIMULINK用户接口:
SIMULINK仿真模型编译器界面有菜单栏、工具栏、状态栏等,经过这些接口能够调整仿真运行时间,仿真模式等,能够查看仿真运行进度等信息。
3)构建SIMULINK框图:
用鼠标将模块库中所需模块拖至系统模型中,然后添加连线将各个模块连接起来,模型中能够包含WORKSPACE中已定义变量;
4)运行:
点击仿真模型编译器界面中运行按钮,系统会在输入信号作用下输出,经过SCOPE模块能够查看输出响应曲线,经过TOWORKSPACE模块能够将输出立即间信号送至工作区。
试验五控制系统频域和时域分析
一、试验时间及地点:
试验时间:
.10.28早晨8:
30-9:
30
试验地点:
黄岛老校区计算中心
二、试验目标:
1、掌握控制系统数学模型基础描述方法和相互转化
2、了解控制系统稳定性分析方法
3、掌握控制系统频域和时域分析基础方法
三、试验内容:
练习A:
1、
表示下列传输函数模型,并转化成其它数学模型
(1)
(2)
(3)
(4)
2、一个单位负反馈开环传输函数为
试绘出系统闭环根轨迹图;并在跟轨迹图上任选一点,试计算该点增益
及其全部极点位置
四、试验操作过程(试验说明)
>>num=[4,-2]
num=
4-2
>>den=[1025]
den=
1025
>>Gs=tf(num,den)
Gs=
4s-2
----------------
s^3+2s+5
Continuous-timetransferfunction.
>>
>>
>>
>>num=0.5;
>>den=[12.51];
>>Gs=tf(num,den)
Gs=
0.5
-------------------
s^2+2.5s+1
Continuous-timetransferfunction.
>>
>>
>>
>>k=1;
>>num=k;
>>den=[24.510];
>>Gs=tf(num,den)
Gs=
1
--------------------------
2s^3+4.5s^2+s
Continuous-timetransferfunction.
>>Ms=Gs/(Gs+1)
Ms=
2s^3+4.5s^2+s
---------------------------------------------------------------
4s^6+18s^5+24.25s^4+11s^3+5.5s^2+s
Continuous-timetransferfunction.
>>rlocus(Ms)%绘制系统闭环根轨迹图(图5-1)
图5-1
>>pzmap(Ms)%绘制零极点图(5-2)
图5-2
>>[p,z]=pzmap(Ms)
p=
0.0000+0.0000i
-2.1254+0.0000i
-2.0000+0.0000i
-0.0623+0.4810i
-0.0623-0.4810i
-0.2500+0.0000i
z=
0
-2.0000
-0.2500
>>[k,poles]=rlocfind(Ms)
Selectapointinthegraphicswindow
selected_point=
0.5795+0.4927i
k=
4.1162
poles=
0.0000+0.0000i
-2.4675+0.0000i
-2.0000+0.0000i
0.1088+1.0124i
0.1088-1.0124i
-0.2500+0.0000i
五、试验结果及讨论
1.MATLAB经过函数tf(num,den)建立传输函数模型,经过zpk(z,p,k)建立零极点增益模型,经过ss(A,B,C,D)建立连续系统状态空间模型;
2.MATLAB经过ss2tf(),ss2zp(),tf2ss(),tf2zp(),zp2ss(),zp2tf()等函数将传输函数模型、零极点增益模型、状态空间模型等模型相互转换;
3.经过函数rlocus(sys)可绘制系统sys根轨迹图,经过pzmap(sys)可绘制系统sys零极点图,经过[k,poles]=rlocfind(Ms)在根轨迹图上任选一点可计算出该点增益k及全部极点位置。
试验六控制系统PID校正器设计法
一、试验时间及地点:
试验
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