控制系统仿真实验指导书(DOC)

目 录

实验1 Matlab矩阵运算 ............................................................................................ 2 实验2 M文件编程 ................................................................................................... 5 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 MATLAB控制系统数学模型及其转换 ...................................................... 6 MATLAB控制系统时域分析 ...................................................................... 9 MATLAB控制系统频域分析 .................................................................... 15 Simulink仿真方法练习 .............................................................................. 19 MATLAB控制系统超前和滞后校正器设计 ............................................ 22 MATLAB控制系统PID调节器设计 ........................................................ 23

实验1 Matlab矩阵运算

一、实验目的

1、 掌握向量和矩阵的创建方法； 2、 掌握向量和矩阵元素的索引方法； 3、 掌握向量和矩阵的基本操作； 4、 利用MATLAB编写程序进行矩阵运算。

二、基础知识

1、常见数学函数 函 数 名 Abs(x) Acos(x) acosh(x) angle(x) asin(x) asinh(x) atan(x) 数 学 计 算 功 能 实数的绝对值或复数的幅值 反余弦arcsinx 反双曲余弦arccoshx 在四象限内求复数 x 的相角 反正弦arcsinx 反双曲正弦arcsinhx 反正切arctanx 函 数 名 floor(x) gcd(m，n） imag(x) lcm(m，n) log(x) log10(x) real(x) Rem(m，n) round(x) sign(x) sin(x) sinh(x) sqrt(x) tan(x) tanh(x) 数 学 计 算 功 能 对x朝-∞方向取整 求正整数m和n的最大公约数 求复数x的虚部 求正整数m和n的最小公倍数 自然对数（以e为底数） 常用对数（以10为底数） 求复数x的实部 求正整数m和n的m/n之余数 对x四舍五入到最接近的整数 符号函数：求出x的符号 正弦sinx 反双曲正弦sinhx 求实数x的平方根：x 正切tanx 双曲正切tanhx atan2(x,y) 在四象限内求反正切 atanh(x) ceil(x) conj(x) cos(x) cosh(x) exp(x) fix(x) 反双曲正切arctanhx 对x朝+∞方向取整 求复数x的共轭复数 余弦cosx 双曲余弦coshx 指数函数 xe 对x朝原点方向取整 2、常量与变量

系统的变量命名规则：变量名区分字母大小写；变量名必须以字母打头，其后可以是任意字母，数字，或下划线的组合。此外，系统内部预先定义了几个有特殊意义和用途的变量，见下表： 特殊的变量、常量 ans pi eps inf NaN i，j 用于结果的缺省变量名 圆周率π的近似值（3.1416） 数学中无穷小（epsilon）的近似值（2.2204e - 016） 无穷大，如 1/0 = inf （infinity） 非数，如 0/0 = NaN （Not a Number），inf / inf = NaN 虚数单位：i = j =1? 取 值 数值型向量（矩阵）的输入

① 任何矩阵（向量），可以直接按行方式……输入每个元素：同一行中的元素用逗号（，）或者用空格符来分隔；行与行之间用分号（；）分隔。所有元素处于一方括号（[ ]）内；

例1：

>> Time = [11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10] >> X_Data = [2.32 3.43；4.37 5.98]

② 系统中提供了多个命令用于输入特殊的矩阵： 函数 compan diag 功 能 伴随阵 对角阵 函数 功 能 toeplitz Toeplitz矩阵 vander zeros ones Vandermonde矩阵 元素全为0的矩阵 元素全为1的矩阵 元素服从均匀分布的随机矩阵 元素服从正态分布的随机矩阵 对角线上元素为1的矩阵 hadamard Hadamard矩阵 hankel Hankel矩阵 invhilb Hilbert矩阵的逆阵 rand kron magic pascal Kronercker张量积 randn 魔方矩阵 Pascal矩阵 eye meshgrid 由两个向量生成的矩阵 上面函数的具体用法，可以用帮助命令help得到。如：meshgrid(x,y) 输入 x=[1 2 3 4]; y=[1 0 5]; [X,Y]=meshgrid(x, y)，则 X = Y =

1 2 3 4 1 1 1 1 1 2 3 4 0 0 0 0 1 2 3 4 5 5 5 5

目的是将原始数据x，y转化为矩阵数据X，Y。 3、数组（矩阵）的点运算

运算符：+（加）、-（减）、./（右除）、.\\（左除）、.^（乘方）， 例3：

>> g = [1 2 3 4]；h = [4 3 2 1]；

>> s1 = g + h, s2 = g.*h, s3 = g.^h, s4 = g.^2, s5 = 2.^h 4、矩阵的运算

运算符：+（加）、-（减）、*（乘）、/（右除）、\\（左除）、^（乘方）、’（转置）等； 常用函数：det（行列式）、inv（逆矩阵）、rank（秩）、eig（特征值、特征向量）、rref（化矩阵为行最简形）

例4：

>> A= [2 0 –1; 1 3 2]; B= [1 7 –1; 4 2 3; 2 0 1]; >> M = A*B % 矩阵A与B按矩阵运算相乘 >> det_B = det(B) % 矩阵A的行列式 >> rank_A = rank(A) % 矩阵A的秩

>> inv_B = inv(B) % 矩阵B的逆矩阵

>> [V,D] = eig(B) % 矩阵B的特征值矩阵V与特征向量构成的矩阵D >> X = A/B % A/B = A*B，即XB=A，求X >> Y = B\\A % B\\A = B-1*A，即BY=A，求Y

-1

三、实验内容

1、练习数据和符号的输入方式，将前面的命令在命令窗口中执行通过。 2、键入常数矩阵输入命令： a = [1 2 3] 与 a = [1;2;3] 记录结果，比较显示结果有何不同； b = [1 2 5] 与 b = [1 2 5]; 记录结果，比较显示结果有何不同； a a’ b b’

记录结果，比较变量加“’”后的区别； c = a * b c = a* b’ 记录显示结果与出错原因；

a = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 0]，求a^2 a^0.5 记录显示结果。

3、使用冒号选出指定元素：已知 A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]，求 A 中第 3 列前 2 个元素，A 中所有列第 2，3 行的元素。

4、输入 A=[7 1 5; 2 5 6; 3 1 5]，B=[1 1 1; 2 2 2; 3 3 3]，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：

A(2,3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A^2 A.^2 B/A B./A

?123???5、建立 M 文件，求A??221?的逆矩阵。

?343????123??13??21?????C?206、 设A??221?,B??, ???，建立 M 文件，求矩阵 X ，使满足：AXB = C 。53???343??31?????四、实验报告要求

1、 写清学号、姓名、班级及实验名称；

2、 按照上述步骤进行实验，并按实验记录完成实验报告。

实验2 M文件编程

一、实验目的

1、了解M语言的特点； 2、了解M文件调试。

二、预习要求

1、理解MATLAB中的各种流程控制（if语句、switch语句、for语句、while语句等）； 2、理解MATLAB中函数文件的编写方法。

三、实验内容

1、流程控制：

（1）编程实现1到100之间所有能被5整除的数之和；

（2）已知x(1)=1,x(2)=10,x(n)=(x(n-1)+x(n-2))/2，求数列x(n)的前10项； 2、函数文件：

（1）编写一个函数，计算一个输入向量各元素的平均值。

（2）输入一个百分制成绩，要求输出成绩等级A、B、C、D、E。其中90~100分为A，80~89分为B，70~79分为C，60~69分为D，60分以下为E。

要求：输入百分制成绩后要判断该成绩的合理性，对不合理的成绩应输出出错信息。

四、实验报告要求

1、写清学号、姓名、班级及实验名称； 2、写出试验操作步骤及结果分析。

2、绘制一阶惯性环节

G(s)?35s?1的奈魁斯特图。

3、绘制传递函数G(s)?1280s?640的尼柯尔斯图。432s?24.2s?1604.81s?320.24s?16

4、已知某系统的开环传递函数为G0(s)?500(0.0167s?1)，试绘制系统的伯德图，

s(0.05s?1)(0.0025s?1)(0.001s?1)并求系统的相角稳定裕量和幅值稳定裕量。

5510[(s)2?s?1]445、已知系统的开环传递函数为G0(s)?，试用对数稳定性判据判别闭环系100.21s2(s?1)(s?1)(s?1)3340统的稳定性。

四、实验报告要求

按照上述步骤进行实验，并按实验记录完成实验报告。

实验6 Simulink仿真方法练习

一、实验目的

1、熟悉Simulink工作环境及特点； 2、掌握Simulink的建模与仿真方法。

二、相关知识

1、Simulink

Simulink是MATLAB的一个部件，它为MATLAB用户提供了一种有效的对反馈控制系统进行建模、仿真和分析的方式。

有两种方式启动Simulink：

① 在Command window中，键入Simulink，回车。 ② 单击工具栏上Simulink图标。

启动Simulink后，即打开了Simulink库浏览器（Simulink library browser）。在该浏览器的窗口中单击“Create a new model（创建新模型）”图标，这样就打开一个尚未命名的模型窗口。把Simulink库浏览器中的单元拖拽进入这个模型窗口，构造自己需要的模型。对各个单元部件的参数进行设定，可以双击该单元部件的图标，在弹出的对话框中设置参数。 2、了解SIMULINK 模块库中各子模块基本功能

3、SIMULINK 的建模与仿真方法

（1）打开模块库，找出相应的模块。鼠标左键点击相应模块，拖拽到模型窗口中即可。 （2）创建子系统：当模型大而复杂时，可创建子系统。 （3）设置仿真控制参数。

三、实验步骤

1、在Simulink集成环境下建立模型；

创建子系统

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/316d.html