自控matlab實驗講義

1、自動控制原理matlab仿真實驗指導書信陽師范學院物理電子工程學院自控教研室編制目 錄自動控制原理matlab仿真實驗要求.3實驗報告封皮模板.4實驗一 控制系統(tǒng)數學模型在matlab中的表示.5實驗二 線性系統(tǒng)的時域分析.8實驗三 線性系統(tǒng)的根軌跡分析.11實驗四 線性系統(tǒng)的頻域分析.13實驗五 離散系統(tǒng)的分析.16實驗六 非線性系統(tǒng)的分析.18自動控制原理matlab仿真實驗要求1、實驗前針對各實驗的“實驗內容”預習并編制好程序；2、上機調試注意matlab程序調試器和simulink仿真的使用方法；3、實驗結束后打印實驗報告。實驗報告內容包括：實驗名稱、實驗日期、實驗目的、實驗內容、實驗

2、程序清單、simulink仿真圖、結果與分析?！痉馄と缦马撍尽繉嶒瀳蟾娓袷饺缦滤尽嶒灻Q： 實驗日期： 1、 實驗目的.2、 實驗內容.(要求：將題目附上，依次為：程序清單、顯示結果或siumulink仿真圖形、結果、分析)自動控制原理matlab分析與設計仿真實驗報告院系： 班級： 姓名： 學號： 時間： 年 月實驗一 控制系統(tǒng)數學模型在matlab中的表示一、 實驗目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握線性系統(tǒng)模型在matlab中的描述方法；3.掌握在matlab中線性系統(tǒng)模型之間的轉換方法；4.初步熟悉simulink仿真的基本方法。二、 本實驗用到的函數1、線性系統(tǒng)的描述（

3、1）傳遞函數描述法：g=tf(num,den)（2）由開環(huán)傳遞函數得到閉環(huán)傳遞函數：num,den=cloop(num1,den1);g=tf(num,den)（3）零-極點描述法：g=zpk(z,p,k) （4）部分分式法：r,p,k=residue(num,den)（5）尾1型表示：h1=tf(a1,t1 1); h2=tf(a2,t2 1);hn=tf(an,tn 1);h=h1*h2*hn;num,den=tfdata(h，v) %得到傳遞函數h中分子分母的系數數組2、線性系統(tǒng)模型之間的轉換（1）傳遞函數轉換為零-極點模式 z,p,k =tf2zp(num,den); g=zpk(z,

4、p,k)（2）零-極點轉換為傳遞函數模式 num,den =zp2tf(z,p,k);g=tf(num,den)（3）模型參數的獲取 z,p,k =zpkdata(g,v) %獲取零-極點參數 num,den=tfdata(g ,v) %獲取傳遞函數參數3、連續(xù)系統(tǒng)轉換為離散系統(tǒng) gd=c2d(g,ts,method) method默認zoh,可省4、離散系統(tǒng)轉換為連續(xù)系統(tǒng) g=d2c(gd, method) method默認zoh，可省5、結構框圖的模型表示（1）串聯(lián)結構 g=series(g1,g2)或g=g1*g2（2）并聯(lián)結構 g=parallel(g1,g2)或g=g1g2（3）反饋

5、結構 g=feedback(g1,g2,sign) sign默認為“-1”，即默認是“負反饋”。g=cloop(num,den,sign) %實現單位反饋,sign缺省為“-1”三、 實驗內容1、已知閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數為：要求：利用matlab軟件中的函數，（1）把g(s)寫成零、極點形式；（2）把g(s)寫成部分分式的形式；（3）當采樣周期為1s時，求出離散后的模型。2、已知系統(tǒng)結構圖如圖所示，用matlab軟件編程求出閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數c(s)/r(s)；用simulink建立仿真圖。實驗二 線性系統(tǒng)的時域分析一、 實驗目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab對系統(tǒng)進行

6、時域分析和設計的方法；3.熟悉利用simulink仿真對系統(tǒng)進行時域分析的方法；4.能夠根據所得結果對系統(tǒng)進行性能分析。二、 本實驗用到的函數1、連續(xù)系統(tǒng)的單位階躍響應：step函數 step(num,den) 或 y=step(num,den,t)2、連續(xù)系統(tǒng)的單位脈沖響應：impulse函數 impulse(num,den) 或 y=impulse(num,den,t)3、連續(xù)系統(tǒng)的任意輸入響應：lsim函數 y=lsim(num,den,r,t)t事先定義的矢量；r輸入信號。4、計算極點：pole函數 p=pole(g)5、計算零點和增益：tzero函數 z,gain=tzero(g)6

7、、繪制零極點：pzmap函數 pzmap(g) pzmap(g1,g2,) p,z=pzmap(g) 7、閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼系數和固有頻率：damp函數 wn,zeta=damp(g)8、穩(wěn)定性分析：roots(多項式系數矩陣) %得出多項式的根9、穩(wěn)態(tài)誤差的計算：er1=y1(length(t); length(t)所考慮時間段內最后一個時間點；y1單位脈沖響應。er2=y2(length(t)-1; length(t)所考慮時間段內最后一個時間點；y2單位階躍響應。er3=y3(length(t)-length(t); length(t)所考慮時間段內最后一個時間點；y3單位斜坡響應。三、 實

8、驗內容1、已知二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為：。要求：利用matlab中的函數，求分別為0，0.7，1，2時系統(tǒng)的單位階躍響應，并利用所求結果分析阻尼比對系統(tǒng)性能的影響。2、系統(tǒng)結構圖如圖所示，用matlab中的函數，（1）求該系統(tǒng)的單位階躍響應（圖形顯示);（2）求單位階躍輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差；（3）分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4）利用simulink仿真實現以上問題的求解。3、 設單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：，（1）對該系統(tǒng)進行仿真，分析其動態(tài)性能；（2）忽略系統(tǒng)閉環(huán)零點，對系統(tǒng)動態(tài)性能進行仿真，分析仿真結果。 4、試作出以下系統(tǒng)的單位階躍響應曲線，并與原系統(tǒng)的響應曲線進行比較，并對實驗結果進行分析。

9、四、實驗報告要求（1）分析系統(tǒng)的阻尼比和無阻尼振蕩頻率對系統(tǒng)階躍響應的影響；（2）分析響應曲線的零初值、非零初值與系統(tǒng)模型的關系；（3）分析響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)模型的關系；（4）分析系統(tǒng)零點對階躍響應的影響。實驗三 線性系統(tǒng)的根軌跡分析一、 實驗目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab函數實現系統(tǒng)根軌跡的繪制及設計的方法。3.能夠根據所得結果對系統(tǒng)進行性能分析。二、 本實驗用到的函數1、繪制根軌跡：rlocus函數 (1) rlocus(g)或rlocus（num den）或 rlocus(g1,g2) (2) r,k= rlocus(g)或 r,k= rlocus(g,

10、k) plot(r);2、調用rlocus之后，調用rlocfind函數，可得到根軌跡上任意點的增益值和閉環(huán)極點； k,pole=rlocfind(g);3、設置圖形的坐標范圍： v=-x x -y y;axis(v)k開環(huán)增益；r,pole對應于k時系統(tǒng)的閉環(huán)極點。4、在復平面內標出傳遞函數的零極點：pzmap5、主導極點的等線和等n線：sgrid(new)%清除圖形窗口繪制等線和等n線sgrid(zeta,wn,new) %繪制指定的等線和等n線6、系統(tǒng)根軌跡的設計工具rltoolrltool%打開空白的根軌跡分析的圖形界面rltool(g) %打開某系統(tǒng)根軌跡分析的圖形界面三、 實驗內容

11、1、已知單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：（1）試畫出k=0 時的閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡；（2）求出臨界時的k值及閉環(huán)極點；（3）求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的k值的區(qū)間;（4）利用matlab函數將剩余的根求出。2、已知單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：（1）試畫出k=0 時的閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡；（2）找出=0.707附近的點，繪制出其相應的單位階躍響應曲線。3、已知反饋控制系統(tǒng)中，。（1）完成根軌跡的繪制，并判定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2）如果，試判斷此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究由于改變所產生的效應。四、 實驗報告要求1、記錄給定系統(tǒng)與顯示的根軌跡圖；2、完成上述各題要求，分析閉環(huán)極點在s平面上的位置與系統(tǒng)動態(tài)性能的關系。實驗

12、四 線性系統(tǒng)的頻域分析一、 實驗目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab對系統(tǒng)進行頻域分析的方法。3.能夠根據所得結果對系統(tǒng)進行性能分析。二、 本實驗用到的函數1、線性系統(tǒng)頻率特性：gw=polyval(num,j*w)./polyval(den,j*w)mag=abs(gw) %幅頻特性pha=angle(gw)%相頻特性2、nyquist曲線nyquist(g) 或nyquist(g,w) %繪制nyquist曲線nyquist(g1,g2,w) %繪制多條nyquist曲線re,im,w=nyquist(g,w)%由w得出對應的實部和虛部re,im,w=nyquist

13、(g)%得出實部、虛部和頻率說明：g為系統(tǒng)模型；w為頻率向量，也可以用wmin，wmax表示頻率范圍。plot（re,im)%得出nyquist圖3、bode圖 bode(g) %繪制bode圖，在系統(tǒng)頻率響應范圍內自動選取值繪圖。 給出頻率的范圍：w=logspace(m,n,npts); %產生頻率自變量的采樣點，即：在10m和10n之間，產生npts個用十進制對數分度的等距離點，npts的具體值由用戶定。bode(g,w) %繪制bode圖 需要指定幅值范圍和相角范圍時：mag,pha=bode(g,w) %得出對應的幅值和相角mag,pha,w=bode(g) %得出幅值、相角和頻率m

14、agdb=20*log10(mag)%把幅值轉變成以db為單位 后兩種方式，需添加繪圖函數才能生成完整的bode圖：subplot(211),semilogx(w,20*log10(mag);subplot(212),semilogx(w,phase)4、幅值裕度和相角裕度margin(mag,phase,w) %生成帶有裕量標記（垂直線）的bode圖gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w) %得出幅值裕度和相角裕度 gm為幅值裕度，wcg為截止頻率； pm為相角裕度，wcp為穿越頻率; mag、phase、w由bode(單位：不是db)或nyquist命令得到。三、

15、 實驗內容1、已知系統(tǒng)的傳遞函數為：要求：利用matlab中的函數，繪制系統(tǒng)的bode圖、nyquist圖，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并求出系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。2、 利用matlab繪制下列傳遞函數的對數幅頻漸進特性曲線。3、已知原系統(tǒng)的傳遞函數為：要求：（1）繪制原系統(tǒng)的bode圖，標出相角裕度和幅值裕度；（2）引入串聯(lián)超前校正裝置 ，繪制校正后系統(tǒng)的bode圖，并與原系統(tǒng)的bode圖進行比較，分析對系統(tǒng)的影響。4、 （選作）已知原單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：，要求穩(wěn)態(tài)誤差ess5%，剪切頻率c=2rad/s,相角裕度40，試用matlab語句編制滯后校正裝置的設計程序，繪制校正前后的bo

16、de圖和階躍響應曲線。5、 （選作）結合書上p259例6-7和例6-8對控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正的設計方法進行學習。實驗五 離散系統(tǒng)的分析一、 實驗目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab對離散系統(tǒng)進行分析的方法。3.能夠根據所得結果對系統(tǒng)進行分析。二、 本實驗用到的函數1、z變換和z反變換 f=ztrans(f) %求函數f(t)的z變換 f=iztrans(f) %求表達式f的z反變換2、離散系統(tǒng)的數學描述 g=tf(num,den,ts) %g(z)的自變量為z g=filt (num2,den,ts) %g(z)的自變量為z-1 零-極點增益描述法：g=zpk(z,p,k

17、,ts)ts采樣周期，默認值為1（即 時）。3、 連續(xù)系統(tǒng)的離散化4、離散系統(tǒng)的階躍響應分析：dstep函數dstep(num,den) %由閉環(huán)脈沖傳遞函數繪制離散系統(tǒng)階躍響應曲線y,x= dstep(num,den,n) %由閉環(huán)脈沖傳遞函數得出n點（采樣點數，可選）離散系統(tǒng)的階躍響應5、離散系統(tǒng)的單位脈沖響應：dimpulse函數 dimpulse(num,den) y,x= dimpulse (num,den,n）4、離散系統(tǒng)的任意輸入響應：dlsim函數/filter函數 dlsim(num,den,r) y,x= dlsim (num,den,r） x狀態(tài)；n采樣點數；r輸入。三、

18、 實驗內容1、如圖 所示的采樣控制系統(tǒng)，t=1s，求：（1）單位階躍輸入下的動態(tài)響應；（2）若添加零階保持器，如圖2所示，求系統(tǒng)的單位階躍響應。2、學習教材p308的7.10.3離散pid控制器的設計方法，上機進行驗證。并總結離散pid控制器的作用。實驗六 非線性系統(tǒng)的分析一、 實驗目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab對非線性系統(tǒng)進行分析的方法。3.能夠根據所得結果對系統(tǒng)進行分析。二、 實驗內容1、系統(tǒng)如圖所示。要求：（1）建立該非線性系統(tǒng)的simulink仿真圖，顯示其系統(tǒng)輸出；（2）編程求解自振的振幅和頻率。2、對書中p8.6.3部分內容進行驗證，總結非線性特性的作

19、用。winger tuivasa-sheck, who scored two tries in the kiwis 20-18 semi-final win over england, has been passed fit after a lower-leg injury, while slater has been named at full-back but is still recovering from a knee injury aggravated against usa.both sides boast 100% records heading into the encount

20、er but australia have not conceded a try since josh charnleys effort in their first pool match against england on the opening day.aussie winger jarryd hayne is the competitions top try scorer with nine, closely followed by tuivasa-sheck with eight.but it is recently named rugby league international

21、federation player of the year sonny bill williams who has attracted the most interest in the tournament so far.the kiwi - with a tournament high 17 offloads - has the chance of becoming the first player to win the world cup in both rugby league and rugby union after triumphing with the all blacks in

22、 2011.id give every award back in a heartbeat just to get across the line this weekend, said williams.the (lack of) air up there watch mcayman islands-based webb, the head of fifas anti-racism taskforce, is in london for the football associations 150th anniversary celebrations and will attend citys

23、premier league match at chelsea on sunday.i am going to be at the match tomorrow and i have asked to meet yaya toure, he told bbc sport.for me its about how he felt and i would like to speak to him first to find out what his experience was.uefa hasopened disciplinary proceedings against cskafor the

24、racist behaviour of their fans duringcitys 2-1 win.michel platini, president of european footballs governing body, has also ordered an immediate investigation into the referees actions.cska said they were surprised and disappointed by toures complaint. in a statement the russian side added: we found

25、 no racist insults from fans of cska. baumgartner the disappointing news: mission aborted.the supersonic descent could happen as early as sunda.the weather plays an important role in this mission. starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation

26、or humidity and limited cloud cover. the balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. it will climb higher than the tip of mount everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising al

27、titude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. as he crosses the boundary layer (called the tropopause),e can expect a lot of turbulence.the balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet ( then, i would assume, he will slowly step out onto some

28、thing resembling an olympic diving platform.they blew it in 2008 when they got caught cold in the final and they will not make the same mistake against the kiwis in manchester.five years ago they cruised through to the final and so far history has repeated itself here - the last try they conceded was scored by englands josh charnley in the opening game of the tournament.that could be classed as a weakness, a team under-cooked - but i