MATLAB控制系統(tǒng)仿真實驗報告

1、word 文檔整理分享清華大學(xué)自動化工程學(xué)院實驗報告課程：控制系統(tǒng)仿真專業(yè) 自動化班級 122姓名學(xué)號指導(dǎo)教師：時間：2015年 10月19日10月28日參考資料word 文檔整理分享目 錄實驗一MATLAB環(huán)境的熟悉與基本運(yùn)算1實驗二MATLAB語言的程序設(shè)計6實驗三MATLAB的圖形繪制9實驗四采用 SIMULINK的系統(tǒng)仿真14實驗五控制系統(tǒng)的頻域與時域分析17實驗六控制系統(tǒng) PID 校正器設(shè)計法23參考資料word 文檔整理分享實驗一 MATLAB環(huán)境的熟悉與基本運(yùn)算一、實驗時間及地點(diǎn)：實驗時間： 2015.10.19上午 8:30 9:30實驗地點(diǎn)：計算中心二、實驗?zāi)康模? 熟悉 M

2、ATLAB開發(fā)環(huán)境2掌握矩陣、變量、表達(dá)式的各種基本運(yùn)算三、實驗內(nèi)容：1、 新建一個文件夾（自己的名字命名，在機(jī)器的最后一個盤符）2、 啟動 MATLAB6.5，將該文件夾添加到MATLAB路徑管理器中。3、 保存，關(guān)閉對話框4、 學(xué)習(xí)使用help 命令，例如在命令窗口輸入help eye ，然后根據(jù)幫助說明，學(xué)習(xí)使用指令 eye（其它不會用的指令，依照此方法類推）5、 學(xué)習(xí)使用clc 、 clear ，觀察 commandwindow、 commandhistory和 workspace 等窗口的變化結(jié)果。6、 初步程序的編寫練習(xí)，新建M-file，保存（自己設(shè)定文件名，例如exerc1 、

3、 exerc2 、exerc3 ），學(xué)習(xí)使用MATLAB的基本運(yùn)算符、數(shù)組尋訪指令、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組生成函數(shù)和數(shù)組操作函數(shù)。注意：每一次M-file的修改后，都要存盤。練習(xí) A：（ 1）help rand，然后隨機(jī)生成一個2×6 的數(shù)組，觀察command window、 commandhistory和 workspace 等窗口的變化結(jié)果（ 2） 學(xué)習(xí)使用 clc 、clear ，了解其功能和作用（ 3） 輸入一個 2 維數(shù)值數(shù)組，體會標(biāo)點(diǎn)符號的作用（空格和逗號的作用）。（ 4）一維數(shù)組的創(chuàng)建和尋訪，創(chuàng)建一個一維數(shù)組（1×8） X，查詢 X 數(shù)組的第 2 個元素，查詢 X 數(shù)組的

4、第 3 個元素到第6 個元素，查詢X 數(shù)組的第 5 個元素到最后一個元素，查詢 X 數(shù)組的第3、 2、1 個元素，查詢X 數(shù)組中 5元素，將 X 數(shù)組的第 2 個元素重新賦值為111，實例 expm1。（ 5）二維數(shù)組的創(chuàng)建和尋訪，創(chuàng)建一個二維數(shù)組（4×8） A，查詢數(shù)組A第 2 行、第3 列的元素，查詢數(shù)組 A 第 2 行的所有元素，查詢數(shù)組A 第 6 列的所有元素，查詢數(shù)組 A 按列拉長形成新的數(shù)組B(1 ×8) ，查詢數(shù)組 A 按行拉長形成新的數(shù)組C(1×8) ，以全元素賦值的方式對數(shù)組A 賦值。（ 6）兩種運(yùn)算指令形式和實質(zhì)內(nèi)涵的比較。設(shè)有3 個二維數(shù)組

5、A2×4，B2×4，C2 ×2，寫出參考資料word 文檔整理分享所有由 2 個數(shù)組參與的合法的數(shù)組運(yùn)算和矩陣指令（ 7）學(xué)習(xí)使用表8列的常用函數(shù)（通過 help 方法）（ 8）學(xué)習(xí)使用表9數(shù)組操作函數(shù)（ 9）學(xué)習(xí)字符串的創(chuàng)建， a='This is an example.'串?dāng)?shù)組的大小size(a)串?dāng)?shù)組的元素標(biāo)識a14=a(1:4)ra=a(end:-1:1)對字符串ASCLL碼的數(shù)組操作w=find(a>='a'&a<='z');ascii_a(w)=ascii_a(w)-32;%英文大小寫

6、字母ASCLL值差 32（小 -32= 大）char(ascii_a)練習(xí) B（ 10） 創(chuàng)建符號對象與函數(shù)命令sym（）、 syms（）與 class （）的熟悉和運(yùn)用。有符號表達(dá)式：e1acx2 yapx2bcxybpxckykp , e2cyp試計算 e1 e2? 與 e1e2?四、實驗操作過程（實驗說明）>>help rand%用 help 指令學(xué)習(xí) rand 的用法rand - Uniformly distributed pseudorandom numbersThis MATLAB function returns a pseudorandom scalar drawn

7、 from the standarduniform distribution on the open interval (0,1).r = randr = 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)參考資料word 文檔整理分享r = rand(n,'like',p)r = rand(sz1,.,szN,'

8、like',p)r = rand(sz,'like',p)>> rand(2,6)%隨機(jī)生成一個 2×6 的數(shù)組ans =0.81470.12700.63240.27850.95750.15760.90580.91340.09750.54690.96490.9706>> clear>> 1 2;3 4% 清除命令窗口% 輸入一個二維數(shù)組ans =1 23 4>> 1,2;3,4% 將空格改為逗號效果一致ans =1 23 4>> a=1 2 3 4;5 6 7 8;>> b=a(2:2,3

9、:4)% 逗號前面是行，后面是列，冒號前后的數(shù)表示所選范圍b =7 8>> eye(3)% 產(chǎn)生單位矩陣參考資料word 文檔整理分享ans =100010001>> magic(3)%產(chǎn)生魔方矩陣ans =816357492>> flipud(ans)%以數(shù)組“水平中線”為對稱軸，交換上下對稱位置上的元素ans =492357816>> rot90(ans)ans =276951438>> a='hello'a =hello% 逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)組 90°參考資料word 文檔整理分享>> b=siz

10、e(a)%字符串 a 的大小為 1x5b =15>> syms x y p k a b c% 創(chuàng)建符號對象>> e1=x2*a*c*y+a*p*x2+b*p*x+c*k*y+k*p%創(chuàng)建函數(shù)命令e1 =k*p + a*p*x2 + c*k*y + b*p*x + a*c*x2*y>> e2=c*y+pe2 =p + c*y>> e1/e2ans =(k*p + a*p*x2 + c*k*y + b*p*x + a*c*x2*y)/(p + c*y)>> a=1 2a =12>> c=reshape(a,2,1)% 改變數(shù)組

11、 a 的行數(shù)和列數(shù)c =1參考資料word 文檔整理分享2五、實驗結(jié)果及討論1. 熟悉了 MATLAB的基本軟件操作。2. 通過本次實驗熟悉了 MATLAB 的開發(fā)環(huán)境掌握了矩陣、 變量、表達(dá)式的各種運(yùn)算了解了* 與 .* 、 / 與 、 與. 等區(qū)別以及絕對值、開方e 的階乘、正弦、正切的運(yùn)算的符號。3.讓我明白了MATLAB的實用性。參考資料word 文檔整理分享實驗二 MATLAB語言的程序設(shè)計一、實驗時間及地點(diǎn)：實驗時間： 2015.10.19上午 8:30 9:30實驗地點(diǎn)：黃島老校區(qū)計算中心二、實驗?zāi)康模?、 熟悉 MATLAB程序編輯與設(shè)計環(huán)境2、 掌握各種編程語句語法規(guī)則及程序

12、設(shè)計方法3、 函數(shù)文件的編寫和設(shè)計4、 了解和熟悉跨空間變量傳遞和賦值三、實驗內(nèi)容：練習(xí) A1、 熟悉 MATLAB程序編輯與設(shè)計環(huán)境2、 用 for循環(huán)語句實現(xiàn)求 1 100 的和3、 用 for循環(huán)語句實現(xiàn)編寫一個求n 階乘的函數(shù)文件練習(xí) B思考題n4、 已知一維數(shù)組 A 2,4,5,8,10、 B 4,9,6,7,4 ，用 for循環(huán)語句實現(xiàn)Ai Bn i 1 。i 1求和函數(shù)可用sum()5、 （1）編寫求解一維數(shù)組平均值的函數(shù)文件。（2）編寫求解二維數(shù)組平均值的函數(shù)文件。四、實驗操作過程（實驗說明）1 用 for循環(huán)語句實現(xiàn)求1 100 的和，函數(shù)名為theSec().程序：a=0;

13、for i=1:100a=i+a;參考資料word 文檔整理分享endfprintf('%dn',a)執(zhí)行結(jié)果：>> theSec%求 1 100 的和50502 用 for循環(huán)語句實現(xiàn)編寫一個求n 階乘的函數(shù)文件，函數(shù)名為jiex(x).程序：functionjiex(x)a=1;fori=1:xa=a*i;endfprintf('%dn' ,a)執(zhí)行結(jié)果：>> jiex(4)%求 4 的階乘24n3.已知一維數(shù)組A 2,4,5,8,10 、 B 4,9,6,7,4 ，用 for 循環(huán)語句實現(xiàn)Ai Bn i 1 。i 1求和，函數(shù)名用A

14、Bsum()程序：functiony=ABsum()a=2,4,5,8,10;b=4,9,6,7,4;n=5;sum=0;fori=1:nsum=sum+a(1,i)*b(1,n-i+1);endy=sum;參考資料word 文檔整理分享執(zhí)行結(jié)果：>> ABsum() ans =1784.編寫求解任意數(shù)組平均值的函數(shù)文件，函數(shù)名為avg(f).程序：functiony=avg(f)m,n=size(f);sum=0;fori=1:mforj=1:nsum=sum+f(i,j);endendy=sum/(m*n);執(zhí)行結(jié)果：>> a=1,2,3,4;5,6,7,8%定義一

15、個數(shù)組a =12345678>> avg(2*a)%求數(shù)組 2*a 的平均值ans =9五、實驗結(jié)果及討論參考資料word 文檔整理分享1. 編程語句：循環(huán)語句有 for 循環(huán)和 while 循環(huán)，我習(xí)慣使用 for 循環(huán)，使用格式如下：for循環(huán)變量 =表達(dá)式 1（初值）：表達(dá)式2（增量）：表達(dá)式3（終值）循環(huán)語句組end條件判斷語句if語句格式為：if表達(dá)式執(zhí)行語句end實驗三 MATLAB的圖形繪制一、實驗時間及地點(diǎn)：實驗時間： 2015.10.21上午 8:30 9:30實驗地點(diǎn)：黃島老校區(qū)計算中心二、實驗?zāi)康模?、學(xué)習(xí) MATLAB圖形繪制的基本方法；2、熟悉和了解MAT

16、LAB圖形繪制程序編輯的基本指令；3、熟悉掌握利用MATLAB圖形編輯窗口編輯和修改圖形界面，并添加圖形的各種標(biāo)注；4、掌握 plot 、 subplot的指令格式和語法。三、實驗內(nèi)容：練習(xí) A【1】二維曲線繪圖基本指令演示。t=(0:pi/50:2*pi)'k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,Y)參考資料word 文檔整理分享10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-101234567plot指令基本操作演示【2】用圖形表示連續(xù)調(diào)制波形ysin(t) sin(9t) 及其包絡(luò)線。t=(0:pi/100:pi)'y1=sin(t)*1

17、,-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)10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-100.511.522.53【 3】通過繪制二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)，綜合演示圖形標(biāo)識。本例比較綜合，涉及的指令較廣。請耐心讀、實際做、再看例后說明，定會有匪淺收益。clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);tt=t(

18、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)grid ontitle('it y = 1 - e -alphatcosomegat')text(13.5,1.2,'fontsize12alpha=0.3')text(13.5,1.1,'fontsize12

19、omega=0.7')hold on;plot(ts,0.95,'bo','MarkerSize',10);hold offcell_string1='fontsize12uparrow'參考資料word 文檔整理分享cell_string2='fontsize16 fontname隸書 鎮(zhèn)定時間 'cell_string3='fontsize6 'cell_string4='fontsize14rmt_s = ' num2str(ts);text(ts,0.85,cell_string)x

20、label('fontsize14 bft rightarrow')ylabel('fontsize14 bfy rightarrow')y = 1 - e- a t cos w t1.2843?y1.0510.95a =0.3w =0.7-ò? ¨? ±? ?t s = 9.61336.283212.566418.8496t ?二階階躍響應(yīng)圖的標(biāo)識四、實驗操作過程（實驗說明）1. 二維曲線繪圖基本指令演示：>> t=(0:pi/50:2*pi)'k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,Y)執(zhí)

21、行結(jié)果：（圖3-1 ）圖 3-1參考資料word 文檔整理分享2. 用圖形表示連續(xù)調(diào)制波形 y sin(t ) sin(9t) 及其包絡(luò)線：>> 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)執(zhí)行結(jié)果：（圖3-2 ）圖 3-23. 通過繪制二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)，綜合演示圖形標(biāo)識：>> c

22、lf;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) grid ontitle('it y = 1 - e -alphatcosomegat') text(13.5,1.

23、2,'fontsize12alpha=0.3')text(13.5,1.1,'fontsize12omega=0.7')hold on;plot(ts,0.95,'bo','MarkerSize',10);hold off參考資料word 文檔整理分享cell_string1='fontsize12uparrow'cell_string2='fontsize16 fontname隸書 鎮(zhèn)定時間 'cell_string3='fontsize6 'cell_string4='f

24、ontsize14rmt_s = ' num2str(ts);text(ts,0.85,cell_string)xlabel('fontsize14 bft rightarrow')ylabel('fontsize14 bfy rightarrow')執(zhí)行結(jié)果：（圖3-3 ）圖 3-3五、實驗結(jié)果及討論1 ，通過這次實驗， 我學(xué)會了 MATLAB圖形繪制的基本方法， 掌握 了 MATLAB圖形繪制程序編輯的基本指令， 而且還懂得了利用MATLAB圖形編輯窗口編輯和修改圖形界面，并添加圖形的各種標(biāo)注。2 ，感覺到了 MATLAB的強(qiáng)大，而且很實用。參考資料

25、word 文檔整理分享實驗四采用 SIMULINK的系統(tǒng)仿真一、實驗時間及地點(diǎn)：參考資料word 文檔整理分享實驗時間： 2015.10.21上午 8:30 9:30實驗地點(diǎn)：黃島老校區(qū)計算中心二、實驗?zāi)康模?、熟悉 SIMULINK 工作環(huán)境及特點(diǎn)2、掌握線性系統(tǒng)仿真常用基本模塊的用法3、掌握 SIMULINK 的建模與仿真方法4、子系統(tǒng)的創(chuàng)建和封裝設(shè)計1、 實驗內(nèi)容：練習(xí) A1、SIMULINK仿真實際應(yīng)用， 建立雙環(huán)調(diào)速的電流環(huán)系統(tǒng)的方框圖模型，模型參數(shù)設(shè)為Ks=44；Ts=0.00167 ； Ta=0.017 ； R=1； Tm=0.075； Ce=0.1925 ； Kt=0.0117

26、8 ； T1=0.049 ； T2=0.088 ，(1)在 Simulink 集成環(huán)境下建立模型， 在給定信號作用點(diǎn)處輸入單位給定階躍響應(yīng)信號，0.3秒后在擾動信號點(diǎn)輸入單位階躍響應(yīng)信號。并繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲線(2)計算仿真結(jié)果的超調(diào)量、上升時間、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差。(3)設(shè)計 PID 調(diào)節(jié)器替代圖中的比例積分調(diào)節(jié)器， 調(diào)節(jié) K P ，Ti ，Td 用使系統(tǒng)滿足超調(diào)量15%，上升時間0.3s ，調(diào)節(jié)時間0.4s 的要求。(4) 要求對加入的 PID 控制器封裝成一個模塊使用封裝步驟 1 創(chuàng)建子系統(tǒng)封裝步驟 2 封裝子系統(tǒng)封裝步驟 3 設(shè)置參數(shù)封裝步驟 4 修改和設(shè)計模塊圖標(biāo)四、實驗操作過程（實驗

27、說明）1.畫出雙環(huán)調(diào)速的電流環(huán)系統(tǒng)的方框圖模型，并在Simulink集成環(huán)境下建立模型：（圖4-1 ）參考資料word 文檔整理分享圖 4-12. 繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲線：（圖4-2 ）圖 4-2參考資料word 文檔整理分享五、實驗結(jié)果及討論1、 SIMULINK的基本操作：1） 啟動 SIMULINK軟件包：可以在 MATLAB命令窗口鍵入“ SIMULINK”命令，回車后將彈出 SIMULINK 圖形庫瀏覽器（ SIMULINK LIBRARY BREWSER）界面，也可以選擇“SIMULINK>LIBRARY BREWSER”同樣可以打開該界面；2） SIMULINK用戶接口： SI

28、MULINK仿真模型編譯器界面有菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄等，通過這些接口可以調(diào)整仿真運(yùn)行時間，仿真模式等， 可以查看仿真運(yùn)行進(jìn)度等信息。3） 構(gòu)建 SIMULINK 框圖：用鼠標(biāo)將模塊庫中的所需的模塊拖至系統(tǒng)模型中，然后添加連線將各個模塊連接起來，模型中可以包含WORKSPACE中已定義的變量；4） 運(yùn)行：點(diǎn)擊仿真模型編譯器界面中的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)會在輸入信號的作用下輸出，通過 SCOPE模塊可以查看輸出響應(yīng)曲線，通過TO WORKSPACE模塊可以將輸出及時間信號送至工作區(qū)。參考資料word 文檔整理分享實驗五 控制系統(tǒng)的頻域與時域分析一、實驗時間及地點(diǎn)：實驗時間： 2015.10.28上午 8

29、:30-9:30實驗地點(diǎn)：黃島老校區(qū)計算中心二、實驗?zāi)康模?、掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本描述方法和相互轉(zhuǎn)化2、了解控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法3、掌握控制系統(tǒng)頻域與時域分析基本方法三、實驗內(nèi)容：練習(xí) A：1、表示下列傳遞函數(shù)模型, 并轉(zhuǎn)化成其他的數(shù)學(xué)模型(1)G( s)4( s2)(s26s6)21)3 (s33s22s 5)s(s(2)G ( s)4s 232s5s(3)G ( s)11)( s 2)( 2sx101x1012x2u(4)x21y 0x11x22、 一個單位負(fù)反饋開環(huán)傳遞函數(shù)為kG ss 0.5s1 4s1試?yán)L出系統(tǒng)閉環(huán)的根軌跡圖； 并在跟軌跡圖上任選一點(diǎn)， 試計算該點(diǎn)的增益 k

30、 及其所有極點(diǎn)的位置參考資料word 文檔整理分享四、實驗操作過程（實驗說明）>> num=4,-2num =4 -2>> den=1 0 2 5den =1 0 2 5>> Gs=tf(num,den)Gs =4 s - 2-s3 + 2 s + 5Continuous-time transfer function.>>>>>>>> num=0.5;>> den=1 2.5 1;>> Gs=tf(num,den)參考資料word 文檔整理分享Gs =0.5-s2 + 2.5 s + 1

31、Continuous-time transfer function.>>>>>>>> k=1;>> num=k;>> den=2 4.5 1 0;>> Gs=tf(num,den)Gs =1-2 s3 + 4.5 s2 + sContinuous-time transfer function.>> Ms=Gs/(Gs+1)Ms =2 s3 + 4.5 s2 + s-4 s6 + 18 s5 + 24.25 s4 + 11 s3 + 5.5 s2 + s參考資料word 文檔整理分享Continuou

32、s-time transfer function.>> rlocus(Ms) %繪制系統(tǒng)閉環(huán)的根軌跡圖（圖5-1 ）圖 5-1>> pzmap(Ms) % 繪制零極點(diǎn)圖（5-2 ）圖 5-2>> p,z=pzmap(Ms)參考資料word 文檔整理分享p =0.0000 + 0.0000i-2.1254 + 0.0000i-2.0000 + 0.0000i-0.0623 + 0.4810i-0.0623 - 0.4810i-0.2500 + 0.0000iz =0-2.0000-0.2500>> k,poles=rlocfind(Ms)Selec

33、t a point in the graphics windowselected_point =0.5795 + 0.4927ik =4.1162poles =0.0000 + 0.0000i-2.4675 + 0.0000i-2.0000 + 0.0000i參考資料word 文檔整理分享0.1088 + 1.0124i0.1088 - 1.0124i-0.2500 + 0.0000i五、實驗結(jié)果及討論1.MATLAB通過函數(shù) tf(num,den) 建立傳遞函數(shù)模型，通過zpk(z,p,k) 建立零極點(diǎn)增益模型，通過 ss(A,B,C,D)建立連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型；2.MATLAB通過 ss2tf(), ss2zp(), tf2ss(), t