控制工程matlab使用.docx
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控制工程matlab使用.docx
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控制工程matlab使用
自动控制原理计算机仿真实验
1.实验目的
(1)熟悉典型系统的时域、频域和根轨迹特性;
(2)掌握系统校正与设计的方法。
(3)了解应用计算机工具分析线性系统的基本方法。
2.Matlab基本特点
(1)Matlab(MatrixLaboratory)
1980年前后,美国Moler博士后成立Mathworks软件开发公司,专门扩展改进Matalb最初用FORTRAN编写,现在的版本用C语言改写4.0版;windows平台下,现在比较新的版本是7.2版
(2)Matlab语言特点
一切都是矩阵:
数据的存储/输入/输出都是以矩阵为基础的,矩阵和其它变量不需要预先定义,如输入
»A=[1,0,1;1,0,0;2,1,0];
»B=[1,0,2;2,1,1;1,0,1];
»C=A*B
C=
203
102
415
»inv(C)
ans=
2-30
-321
-120
♣用户使用方便:
交互方式,修改调试方便;称为演算纸型语言工具。
M文件:
Matlab可执行文件,采用文本方式,编程效率高,可读性极强;
functionplot_sin(xmin,xmax)
x=xmin:
min(0.01,(xmax-xmin)/100):
xmax;
plot(x,sin(x));
%Thisisademo
♣命令简单,丰富,易于扩展
函数名定义几乎与数学描述一样,接近书写计算公式的思维方式,min(),max(),…基本命令包括:
数学函数,矩阵,数值方法,绘图,字符串,文件I/O等数百条;
扩充工具箱:
控制系统,信号处理,神经网络,系统辨识,数据统计,高等数学方法,甚至数理逻辑,通讯等等。
♣计算的高效、高可靠性
♣图形、打印、联机帮助等功能齐全
3.Matlab控制系统仿真基础
(1)系统仿真基本概念
仿真:
某些控制系统仿真/设计软件的不足:
使用不方便(EISPACK),调用过程烦琐,维数指定困难,开放性差,辅助功能弱,等等。
(2)线性控制系统的传递函数描述
»num=[12,24,12,20];den=[24622];
传递函数复杂时,应用多项式乘法函数conv等实现。
(3)控制系统的频域响应
Bode图绘制函数:
bode(SYS),如:
bode(num,den);bode([1,0],[121]);绘制出曲线[m,p]=bode(SYS,w),返回数据但不绘制曲线;如[m,p]=bode(num,den,0:
0.01:
10)。
(4)控制系统的时域响应
阶跃响应函数step
step(SYS);
[y,x]=step(SYS,t);y为系统在各个仿真时刻的输出所组成的向量;x为系统为可控标准型时选定的变量的时域响应数据,控制工程基础课程中不予考虑。
(5)系统稳定性分析,离散系统分析,等等
4.动态仿真工具Simulink
(1)实际工作中控制系统的复杂性,需要一种更简单直接的系统输入方法和分析手段。
图形输入概念:
模块、拖放与联结
模块和子模块:
定义的一些系统元件,子系统,和输入输出设备;如,噪声输入模块,传递函数系统模块,信号发生器,示波器模块等等。
拖放:
将需要的模块拖放到你定义的工作区内。
联结:
用鼠标拖动,建立联结。
(2)仿真参数选择
开始时间,结束时间,步长选择(变步长,定步长),算法选择(求解微分方程的一些典型算法,如:
龙格库塔法等),精度,等等
5.预习要求:
熟悉Matlab基本函数命令,控制系统工具箱命令,控制系统基本概念
6.实验报告
附录1Matalb常用控制系统仿真命令
编程控制命令
if-Conditionallyexecutestatements.
else-IFstatementcondition.
elseif-IFstatementcondition.
end-TerminatescopeofFOR,WHILE,SWITCHandIFstatements.
for-Repeatstatementsaspecificnumberoftimes.
while-Repeatstatementsanindefinitenumberoftimes.
break-TerminateexecutionofWHILEorFORloop.
switch-Switchamongseveralcasesbasedonexpression.
case-SWITCHstatementcase.
otherwise-DefaultSWITCHstatementcase.
return-Returntoinvokingfunction.
基本绘图函数
plot-Linearplot.
loglog-Log-logscaleplot.
semilogx-Semi-logscaleplot.
semilogy-Semi-logscaleplot.
polar-Polarcoordinateplot.
plotyy-Graphswithyticklabelsontheleftandright.
axis-Controlaxisscalingandappearance.
zoom-Zoominandoutona2-Dplot.
grid-Gridlines.
box-Axisbox.
hold-Holdcurrentgraph.
axes-Createaxesinarbitrarypositions.
subplot-Createaxesintiledpositions.
legend-Graphlegend.
title-Graphtitle.
xlabel-X-axislabel.
ylabel-Y-axislabel.
text-Textannotation.
gtext-Placetextwithmouse.
时域分析函数
step-Stepresponse.
impulse-Impulseresponse.
initial-Responseofstate-spacesystemwithgiveninitialstate.
lsim-Responsetoarbitraryinputs.
ltiview-ResponseanalysisGUI.
gensig-GenerateinputsignalforLSIM.
stepfun-Generateunit-stepinput.
频域分析函数
bode-Bodeplotofthefrequencyresponse.
sigma-Singularvaluefrequencyplot.
nyquist-Nyquistplot.
nichols-Nicholschart.
ltiview-ResponseanalysisGUI.
evalfr-Evaluatefrequencyresponseatgivenfrequency.
freqresp-Frequencyresponseoverafrequencygrid.
margin-Gainandphasemargins.
附录2参考书目
1.控制系统计算机辅助设计,薛定宇,清华大学出版社,1996;
2.MATLAB语言,张培强,中国科学技术大学出版社,1995;
实验一控制系统时域分析
1、一阶系统阶跃响应
分别取以下几组参数,求系统阶单位阶跃输入时的响应时间常数和调整时间。
1).K=1,T=10;2).K=1,T=1;3).K=1,T=0.1
2、二阶系统阶跃响应
分别就T=1和T=0.1,分别取0,0.2,0.5,0.7,1,10时系统阶跃响应的最大超调量、峰值时间、调整时间、振荡次数。
3、自构造高阶系统,进行数学模型转换并分析其时域特性。
4、了解MATLAB的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK。
观察典型系统时域响应。
个
G(s)=
实验二控制系统根轨迹分析
1、一阶系统阶跃响应
分别取以下几组参数,绘制系统根轨迹图。
1).K=1,T=10;2).K=1,T=1;3).K=1,T=0.1
2、二阶系统阶跃响应
分别就T=1和T=0.1,分别取0,0.2,0.5,0.7,1,10时绘制系统根轨迹图。
3、自构造高阶系统,绘制系统根轨迹图并分析其动态性能及稳定性。
实验三控制系统频域分析
1、一阶系统阶跃响应
分别取以下几组参数,分别绘制系统尼氏图和伯德图,并求出系统稳定裕度。
2).K=1,T=10;2).K=1,T=1;3).K=1,T=0.1
2、二阶系统阶跃响应
分别就T=1和T=0.1,分别取0,0.2,0.5,0.7,1,10时分别绘制系统尼氏图和伯德图,并求出系统稳定裕度。
3、自构造高阶系统,绘制系统尼氏图和伯德图并分析其动态性能及稳定性。
实验四控制系统的设计与校正
1、自构造三阶系统,利用相位超前或滞后校正对系统进行校正,求出校正装置并绘制校正前后系统的伯德图。
2、在Simulink仿真环境下采用串联滞后-超前校正。
实验五离散控制系统的分析
1、对自构造连续三阶系统进行离散化。
2、对含有零阶保持器的二阶系统,当输入为单位阶跃信号时,采样周期T=1秒,求其输出并绘制离散与连续时间系统阶跃响应图。
3、自构造高阶系统,要求绘制连续系统的脉冲响应图,以及T=1秒,0.1秒,0.01秒时采样系统的脉冲响应。
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