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1、实验一 典型环节的 MATLAB 仿真 一、实验目的 1熟悉 MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解 SIMULINK 功能模块的使用方法。2通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。3定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。二、SIMULINK 的使用 MATLAB 中 SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。利用 SIMULINK 功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。1运行 MATLAB 软件，在命令窗口栏“”提示符下键入 simulink 命令，按 Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入如图 1-1
2、 所示的 SIMULINK 仿真环境下。2选择 File 菜单下 New 下的 Model 命令，新建一个 simulink 仿真环境常规模板。3在 simulink 仿真环境下，创建所需要的系统。以图 1-2 所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：1）进入线性系统模块库，构建传递函数。点击 simulink 下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。2）改变模块参数。在 simulink 仿真环境“untitled”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数
3、，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择 OK，即完成该模块的设置。图 1-1 SIMULINK 仿真界面 图 1-2 系统方框图 3）建立其它传递函数模块。按照上述方法，在不同的 simulink 的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。例：比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。4）选取阶跃信号输入函数。用鼠标点击 simulink 下的“Source”，将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。5）选择输出方式。用鼠标点击 simulink 下的“Sinks”，就进入输出方式模块库，通常选用“Scope”的示波器图标，将其用左
4、键拖至新建的“untitled”窗口。6）选择反馈形式。为了形成闭环反馈系统，需选择“Math”模块库右边窗口“Sum”图标，并用鼠标双击，将其设置为需要的反馈形式（改变正负号）。7）连接各元件，用鼠标划线，构成闭环传递函数。8）运行并观察响应曲线。用鼠标单击工具栏中的“”按钮，便能自动运行仿真环境下的系统框图模型。运行完之后用鼠标双击“Scope”元件，即可看到响应曲线。三、实验原理 1比例环节的传递函数为 KRKRRRZZsG200,1002)(211212 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 1-3 所示。2惯性环节的传递函数为 ufCKRKRsCRRRZZsG1,200,1
5、0012.021)(121121212 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图 1-4 所示。3积分环节(I)的传递函数为 ufCKRssCRZZsG1,1001.011)(111112 图 1-3 比例环节的模拟电路及 SIMULINK 图形 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 1-5 所示。4微分环节(D)的传递函数为 ufCKRssCRZZsG10,100)(111112 ufCC01.012 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 1-6 所示。5比例+微分环节（PD）的传递函数为)11.0()1()(111212ssCRRRZZsGufCCufCKRR01.
6、010,10012121 其对应的模拟电路及 SIMULINK 图形如图 1-7 所示。6比例+积分环节（PI）的传递函数为 图 1-4 惯性环节的模拟电路及 SIMULINK 图形 图 1-5 积分环节的模拟电路及及 SIMULINK 图形 图 1-6 微分环节的模拟电路及及 SIMULINK 图形)11(1)(11212sRsCRZZsG ufCKRR10,100121 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图 1-8 所示。四、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK 仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。比例环节1)(1sG和2)(1sG；图 2-1 比例
7、环节的模拟电路 图 1-7 比例+微分环节的模拟电路及 SIMULINK 图形曲图1-8 比例+积分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲 图 2-2 比例环节SIMULINK 仿真模型 惯性环节11)(1ssG和15.01)(2ssG 图 3-1 惯性环节模拟电路 图 3-2 惯性环节SIMULINK 仿真模型 积分环节ssG1)(1 图 4-1 积分环节的模拟电路 图 4-2 积分环节 SIMULINK 仿真模型 微分环节ssG)(1 图 5-1 微分环节的模拟电路 图 5-2 微分环节 SIMULINK 仿真模型 比例+微分环节（PD）2)(1 ssG和1)(2 ssG 图 6-1 比例+微分环节的模拟电路 图 6-2 比例+微分 SIMULINK 仿真模型 比例+积分环节（PI）ssG11)(1和ssG211)(2 图 7-1 比例+积分环节的模拟电路 图 7-2 比例+积分 SIMULINK 仿真模型 五、心得体会 通过这次接触 MATLAB,真正的体会到了它强大的数值计算和符号计算功能，以及强大的数据可视化、人际智能交互能力。该工具主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的主要问题，它能够使图形生动形象的展现给我们，使理解更深刻。