MATLAB輔助分析與設(shè)計

1、MATLAB輔助分析與設(shè)計實驗指導(dǎo)書山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院自動化系目 錄實驗一 Matlab使用方法和程序設(shè)計.1實驗二 控制系統(tǒng)的模型及其轉(zhuǎn)換.3實驗三 動態(tài)仿真集成環(huán)境-Simulink.5實驗四 控制系統(tǒng)的時域、頻域和根軌跡分析.6實驗五 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和能控能觀分析.8實驗六 控制系統(tǒng)的頻率法校正.9實驗七 狀態(tài)反饋系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計.10實驗八 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真.12實驗九 連續(xù)系統(tǒng)按環(huán)節(jié)離散化的數(shù)字仿真. .13實驗十 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真.14實驗十一 直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計.15實驗一 Matlab使用方法和程序設(shè)計 一、 實驗?zāi)康?1、掌握Matlab軟件使用的

2、基本方法； 2、熟悉Matlab的數(shù)據(jù)表示、基本運算和程序控制語句 3、熟悉Matlab繪圖命令及基本繪圖控制 4、熟悉Matlab程序設(shè)計的基本方法 二、 實驗內(nèi)容： 1、 幫助命令 使用help命令，查找 sqrt（開方）函數(shù)的使用方法； 2、矩陣運算 （1） 矩陣的乘法 已知A=1 2;3 4; B=5 5;7 8; 求A2*B （2） 矩陣除法 已知 A=1 2 3;4 5 6;7 8 9; B=1 0 0;0 2 0;0 0 3; AB,A/B （3） 矩陣的轉(zhuǎn)置及共軛轉(zhuǎn)置 已知A=5+i,2-i,1;6*i,4,9-i;求A., A （4） 使用冒號選出指定元素已知： A=1 2

3、3;4 5 6;7 8 9; 求A中第3列前2個元素；A中所有列第2，3行的元素；方括號 用magic函數(shù)生成一個4階魔術(shù)矩陣，刪除該矩陣的第四列 3、多項式 （1）求多項式的根 （2）已知A=1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4 ， 求矩陣A的特征多項式; 求特征多項式中未知數(shù)為20時的值； 把矩陣A作為未知數(shù)代入到多項式中； 4、 基本繪圖命令 （1）繪制余弦曲線y=cos(t)，t0，2 （2）在同一坐標系中繪制余弦曲線y=cos(t-0.25)和正弦曲線y=sin(t-0.5)， t0，2 5、基本繪圖控制 繪制0，4區(qū)間上的x1=10sint曲線

4、，并要求： （1）線形為點劃線、顏色為紅色、數(shù)據(jù)點標記為加號； （2）坐標軸控制：顯示范圍、刻度線、比例、網(wǎng)絡(luò)線 （3）標注控制：坐標軸名稱、標題、相應(yīng)文本； 6、基本程序設(shè)計 （1）編寫命令文件：計算1+2+n2000時的最大n值； （2）編寫函數(shù)文件：分別用for和while循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序，求2的0到n次冪的和。 （3）如果想對一個變量x自動賦值。當從鍵盤輸入y或Y時（表示是），x自動賦為1；當從鍵盤輸入n或N時（表示否），x自動賦為0；輸入其他字符時終止程序。 三、 實驗報告要求： 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。 實驗二 控制系統(tǒng)的模型

5、及其轉(zhuǎn)換一、 實驗?zāi)康?1、掌握建立控制系統(tǒng)模型的函數(shù)及方法； 2、掌握控制系統(tǒng)模型間的轉(zhuǎn)換方法及相關(guān)函數(shù)；3、熟悉控制系統(tǒng)模型的連接方法；4、掌握典型系統(tǒng)模型的生成方法。 二、 實驗內(nèi)容： 1. 控制系統(tǒng)模型1.1系統(tǒng)的模型為 試建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。1.2 已知單輸入雙輸出系統(tǒng)的零極點模型建立系統(tǒng)的零極點模型。1.3 給定系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式， 建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。2. 控制系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換2.1 將1.1的模型轉(zhuǎn)換為零極點模型2.2 將1.2的模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型2.3 將1.3 的模型轉(zhuǎn)換為零極點模型3. 控制系統(tǒng)模型的連接:已知兩個系統(tǒng)求按串聯(lián)、并聯(lián)、系統(tǒng)2在反饋通道連接時的負

6、反饋系統(tǒng)狀態(tài)方程。4、典型系統(tǒng)的生成：4.1 典型二階系統(tǒng)試建立，時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。4.2 建立延遲時間為10秒的3階Pade近似傳遞函數(shù)模型4.3 建立一個3階的單變量隨機穩(wěn)定連續(xù)傳遞函數(shù)模型。5、 連續(xù)系統(tǒng)的離散化：對連續(xù)系統(tǒng) 在采樣周期時進行離散化。三、 實驗報告要求： 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗三 動態(tài)仿真集成環(huán)境Simulink 一、 實驗?zāi)康?1、熟悉Simulink模塊庫中常用標準模塊的功能及其應(yīng)用； 2、掌握利用Simulink在用戶窗口中建立控制系統(tǒng)仿真模型的方法；3、掌握模塊參數(shù)和仿真參數(shù)的設(shè)置以及建立子系統(tǒng)的方

7、法。二、 實驗內(nèi)容1.用Simulink對以下系統(tǒng)進行仿真 其中為系統(tǒng)輸入，y(t)為系統(tǒng)輸出，仿真當輸入為正弦信號時，輸出的信號的波形，仿真時間0=0t=100。2. 在滑艇的運行過程中，滑艇主要受到如下作用力的控制：滑艇自身的牽引力F，滑艇受到的水的阻力f。其中水的阻力，u為滑艇的運動速度。由運動學(xué)的相關(guān)定理可知，整個滑艇系統(tǒng)的動力學(xué)方程為：其中，m為滑艇的質(zhì)量。假設(shè)滑艇的質(zhì)量為1000kg，建立此系統(tǒng)的Simulink模型并進行分析。三、 實驗報告要求： 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗四 控制系統(tǒng)的時域、頻域和根軌跡分析一、 實驗?zāi)康?/p>

8、 1、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的時域分析 2、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的頻域分析 3、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的根軌跡分析 二、 實驗內(nèi)容： 1、時域分析1.1、某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試編程求系統(tǒng)在單位負反饋下的階躍響應(yīng)曲線，并求最大超調(diào)量。1.2、典型二階系統(tǒng) 編程求當n =6,取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0時的單位階躍響應(yīng)曲線。1.3、典型二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 繪制當=0.7,n取2、4、6、8、10、12時的單位階躍響應(yīng)曲線。 2、根軌跡分析 根據(jù)下面負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，繪制系統(tǒng)根軌跡，并分析使系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍。 3、頻域分析 3

9、.1 典型二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 繪制當=0.7,n取2、4、6、8、10、12時的伯德圖 3.2 典型二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 繪制當n =6,取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0時的伯德圖。 三、 實驗報告要求： 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗五 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和能控能觀分析 一、實驗?zāi)康?1、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析； 2、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的能觀測性、能控性分析。二、實驗內(nèi)容 1、系統(tǒng)能控性、能觀性分析：已知連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型， 當分別取1，0，1時，判別系統(tǒng)的能控性和能觀測性。

10、2、 穩(wěn)定性分析2.1 已知閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出不穩(wěn)定極點。2.2 已知離散系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為判斷單位負反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3 已知系統(tǒng)的狀態(tài)方程為判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三、 實驗報告要求： 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗六 控制系統(tǒng)的頻率法校正 一、實驗?zāi)康恼莆帐褂肂ode圖法進行控制系統(tǒng)設(shè)計的方法。二、實驗內(nèi)容 1、設(shè)有一單位反饋系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)，相位裕量，幅值裕量，試確定串聯(lián)校正裝置。2、設(shè)有一單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)，相位裕量，幅值裕量

11、，試確定串聯(lián)校正裝置。3、設(shè)有單位負反饋系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為其設(shè)計要求：，相位裕量為50度，幅值裕量為10dB，試確定超前滯后串聯(lián)校正裝置，以滿足性能指標要求。 三、 實驗報告要求： 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗七 狀態(tài)反饋系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計 一、實驗?zāi)康?、掌握用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器及帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)方法2、掌握用MATLAB實現(xiàn)狀態(tài)反饋的線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計二、實驗內(nèi)容1、已知系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 采用狀態(tài)反饋，將系統(tǒng)的極點配置到-1，-2，-3，求狀態(tài)反饋矩陣2、上例所示系統(tǒng)，實際上只有一個不穩(wěn)定極

12、點1，若僅將此極點配置到-5，試采用部分極點配置方法對其進行配置。3、已知開環(huán)系統(tǒng) 其中，設(shè)計全維狀態(tài)觀測器，使觀測器的閉環(huán)極點為：4、設(shè)開環(huán)系統(tǒng) 其中，設(shè)計降維狀態(tài)觀測器，使閉環(huán)極點為：5、已知開環(huán)系統(tǒng) 設(shè)計狀態(tài)反饋，使閉環(huán)極點為：，而且狀態(tài)不可量測；設(shè)計狀態(tài)觀測器使其閉環(huán)極點為：-8，-86、已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式為：，試求使得性能指標 為最小的最優(yōu)控制的反饋增益矩陣，其中， 三、 實驗報告要求編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗八 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真一、 實驗?zāi)康?1、掌握四階龍格-庫塔法系統(tǒng)仿真的方法； 2、掌握面向結(jié)構(gòu)圖仿真的方法與步

13、驟；3、熟悉仿真程序的編寫方法；二、 實驗內(nèi)容 1、SISO系統(tǒng)的傳遞框圖如圖所示，試編寫程序用四階龍格-庫塔法對系統(tǒng)進行仿真，求系統(tǒng)輸出y的動態(tài)響應(yīng)2、某一系統(tǒng)由四個典型環(huán)節(jié)組成，如圖所示，求輸出量y的動態(tài)響應(yīng)。三、 實驗報告要求編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗九 連續(xù)系統(tǒng)按環(huán)節(jié)離散化的數(shù)字仿真一、 實驗?zāi)康?1、掌握常用非線性環(huán)節(jié)的表示方法； 2、掌握按環(huán)節(jié)離散的數(shù)字化仿真步驟及方法；3、熟悉仿真程序的編寫方法；二、 實驗內(nèi)容 已知非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖，編寫程序，求輸出量y的動態(tài)響應(yīng)。三、 實驗報告要求 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機

14、中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗十 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真一、 實驗?zāi)康?1、掌握數(shù)字控制器的實現(xiàn)方法； 2、掌握連續(xù)部分的程序?qū)崿F(xiàn)方法；3、熟悉仿真程序的編寫方法。二、 實驗內(nèi)容 已知采樣系統(tǒng)如圖所示，編寫MATLAB程序求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。三、 實驗報告要求 編寫實驗內(nèi)容中的相關(guān)程序在計算機中運行，程序、運行結(jié)果及相關(guān)圖形一并寫在報告上。實驗十一 直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與設(shè)計一、 實驗?zāi)康?1、掌握連續(xù)部分的程序?qū)崿F(xiàn)方法；2、熟悉仿真程序的編寫方法。二、 實驗內(nèi)容 一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電動機參數(shù)為：=200W，=48V，=3.7A，電樞電阻Ra=6.5歐，電樞回路總電阻R=8歐，