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1、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.M atlab 基本特点（1）Matlab（Matrix Laboratory ）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?
2、A=1,0,1 。1,0,0。2,1,0。? B=1,0,2 。2,1,1。1,0,1。? C=A*B 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 13 页C = 2 0 3 1 0 2 4 1 5 ?inv(C) ans = 2 -3 0 -3 2 1 -1 2 0 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；function plot_sin(xmin,xmax) x=xmin:min(0.01,(xmax-xmin)/100):xmax
3、 。plot(x,sin(x) 。% This is a demo 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；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 13 页扩充工具箱：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.M atlab 控制系统仿真基础（1）
4、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G ssssssss( )122412202462232432 ?num=12,24,12,20 。 den=2 4 6 2 2。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：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 13 页bode(SYS), 如：bode(num,den)；bode(1,0,1 2 1
5、)； 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
6、声输入模块，传递函数系统模块，信号发生器，示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 13 页波器模块等等。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。+1V+1 V100K100K10uFUo(t)Ui(t)（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 1 Matalb 常用控制系统仿真命令编程控制命令 if - C
7、onditionally execute statements. else - IF statement condition. s+12s +1Transfer FcnSumStepScope1Constant精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 13 页 elseif - IF statement condition. end - Terminate scope of FOR, WHILE, SWITCH and IF statements. for - Repeat statements a specific number
8、 of times. while - Repeat statements an indefinite number of times. break - Terminate execution of WHILE or FOR loop. switch - Switch among several cases based on expression. case - SWITCH statement case. otherwise - Default SWITCH statement case. return - Return to invoking function. 基本绘图函数 plot -
9、Linear plot. loglog - Log-log scale plot. semilogx - Semi-log scale plot. semilogy - Semi-log scale plot. polar - Polar coordinate plot. plotyy - Graphs with y tick labels on the left and right. axis - Control axis scaling and appearance. zoom - Zoom in and out on a 2-D plot. 精选学习资料 - - - - - - - -
10、- 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 13 页 grid - Grid lines. box - Axis box. hold - Hold current graph. axes - Create axes in arbitrary positions. subplot - Create axes in tiled positions. legend - Graph legend. title - Graph title. xlabel - X-axis label. ylabel - Y-axis label. text - Text annotation. gtex
11、t - Place text with mouse. 时域分析函数 step - Step response. impulse - Impulse response. initial - Response of state-space system with given initial state. lsim - Response to arbitrary inputs. ltiview - Response analysis GUI. gensig - Generate input signal for LSIM. stepfun - Generate unit-step input. 频域
12、分析函数 bode - Bode plot of the frequency response. sigma - Singular value frequency plot. nyquist - Nyquist plot. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 13 页 nichols - Nichols chart. ltiview - Response analysis GUI. evalfr - Evaluate frequency response at given frequency. freqresp - Freq
13、uency response over a frequency grid. margin - Gain and phase margins. 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；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 13 页实验一控制系统时域分析1、一阶系统阶跃响应G ss( )KT1Step ResponseTime (sec)Ampli tude010203040506000.10.20.30.40.50.60.
14、70.80.91System: sys1Rise Time (sec): 2.2System: sys1Settling Time (sec): 3.92System: sys3Rise Time (sec): 22System: sys3Settling Time (sec): 39.1System: sys2g Time (sec): 0.392System: sys2e Time (sec): 0.22data1data2data3data4分别取以下几组参数，求系统阶单位阶跃精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 13
15、页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G sss( )12122TTStep ResponseTime (sec)Amplitude010203040506000.20.40.60.811.21.41.6System: sysFinal Value: 1System: sysFinal Value: 1System: sysRise Time (sec): 43.8System: sysSettling Time (sec): 19.6System: sysPeak amplitude: 1.53Ove
16、rshoot (%): 52.7At time (sec): 3.2System: sysSettling Time (sec): 3.91System: sysRise Time (sec): 1.21System: sysRise Time (sec): 2.2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。精选学习资料 - - - - - - - - -
17、名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 13 页个G(s)=1002203002208010401023452sssssssStep ResponseTime (sec)Amplitude0246810121416182000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5System: sysFinal Value: 0.4System: sysPeak amplitude: 0.477Overshoot (%): 19.3At time (sec): 5System: sysRise Time (sec): 2.08System: sysSettlin
18、g Time (sec): 10.4实验二 控制系统根轨迹分析1、一阶系统阶跃响应G ss( )KT1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G sss( )12122TT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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 13 页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G ss(
19、 )KT1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G sss( )12122TT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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 13 页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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 13 页