《自动控制与系统仿真》课程标准.doc

自动控制与系统仿真课程标准（课程类型：职业技能训练课，1周）一、 实习的目标和任务 自动控制原理理论性强，现实模型在实验室较难建立，因此利用MATLAB进行仿真实验，可以加深我们学生对课程的理解，调动我们学习的积极性，同时大大提高了我们深入思考问题的能力和创新能力。本文针对自动控制系统的设计很大程度上还依赖于实际系统的反复实验、调整的普遍现象，结合具体的设计实例，介绍了利用较先进的MATLAB软件工具来实现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真的方法。它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能。并且能够灵活的改变系统的结构和参数，通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计二、实习内容实验一 MATLAB基本内容及图形绘制1.实验目的1) 掌握MATLAB仿真软件的安装及启动。2) MATLAB指令窗口，包括工具条以及菜单选项的使用；MATLAB语言的基本规定，包括数值的表示、变量命名规定、基本运算符、预定义变量以及表达式等。3) MATLAB在仿真中的应用。4) 图形绘制功能以及和控制系统分析中的应用等。2.实验仪器计算机一台3.实验内容1) MATLAB的启动这里介绍MATLAB装入硬盘后，如何创建MATLAB的工作环境。2) MATLAB指令窗（1） 工具条 直接打开Editor/Debugger编辑/调试窗 通过选中M文件打开Editor/Debugger编辑/调试器 或通过选中MDL文件打开SIMULINK模型窗 打开Simulink Library Browser浏览器 打开Help Window分类帮助窗图1-1 在英文Windows平台上的MATLAB6.5指令窗（2） 菜单选项MATLAB工作窗具有标准的Windows界面，因此，可以通过工作菜单中的各种选项来实现对工作窗中内容的操作，此处仅介绍使用较多的菜单操作。 基本文件操作【File】选项New打开编辑/调试器、新图形窗、Simulink用的MDL文件Open通过已有M文件打开编辑/调试器 编辑操作【Edit】选项 Cut剪切 Copy复制 Paste粘贴 Clear Session 清除命令窗里的显示内容，但它不清除工作存中的变量 MATLAB环境下工作窗管理【Windows】选项如果没有图形的话，则只有一个【1. MATLAB Command Window】选项；如果有图形的话，则会有相应的图形窗选项。 帮助【Help】选项Help Windows 打开分类帮助窗 Help Tips打开函数文件指令名帮助窗Help Desk打开以html超文本形式存储的帮助文件主页 Examples and Demos打开MATLAB演示窗主页About MATLABMATLAB注册图标、版本、制造商和用户信息3) MATLAB在仿真中的应用（1） 简单数学计算(i) 37217428/24(ii) abs(-27)(iii) 63*(3+2)（2） 简单赋值运算(i) x=18(ii) y=3*x2-78(iii) u=x+y（3） 矩阵赋值和运算(i) A=1,2,3,4,5(ii) B=1;2;3;4(iii) C=2,3,1,5;5,3,2,7;9,5,6,24) MATLAB的基本规定（1） 数值的表示MATLAB的数值采用十进制，可以带小数点或负号。以下表示都合法。0-1000.008 12.7521.8e-68.2e52（2） 变量命名规定i) 变量名、函数名：字母大小写表示不同的变量名。如A和a表示不同的变量名；sin是MATLAB定义的正弦函数，而Sin，SIN等都不是。ii) 变量名的第一个字母必须是英文字母，最多可包含31个字符（英文、数字和下连字符）。如A21是合法的变量名，而3A21是不合法的变量名。iii) 变量名中不得包含空格、标点，但可以有下连字符。如变量名A _b21是合法变量名，而A，21是不合法的。（3） 基本运算符MATLAB表达式的基本运算符见表1-1。表1-1 MATLAB表达式的基本运算符数学表达式MATLAB运算符MATLAB表达式加a + b+a + b减abab乘ab*a*b除ab/或a/b或ab幂abab说明MATLAB用左斜杠或右斜杠分别表示“左除”或“右除”运算。对标量而言，这两者的作用没有区别；对矩阵来说，“左除”和“右除”将产生不同的结果。（4） MATLAB默认的预定义变量在MATLAB中有一些预定义变量（predefined variable）。每当MATLAB启动，这些变量就被产生。用户在定义变量时，尽量避开表1-2所列预定义变量名，以免产生混淆。表1-2 MATLAB的预定义变量预定义变量含义预定义变量含义ans计算结果的缺省变量名NaN或nan未定式，如0/0eps机器零阈值flops浮点运算次数nargin函数输入宗量数目Inf或inf无穷大，如1/0nargout函数输出宗量数目i或j虚单元I = j = realmax最大正实数pi圆周率realmin最小正实数（5） 表达式MATLAB书写表达式的规则与“手写算式”几乎完全相同。i) 表达式由变量名、运算符和函数名组成。ii) 表达式将按常规相同的优先级自左至右执行运算。iii) 优先级的规定为：指数运算级别最高，乘除运算次之，加减运算级别最低。iv) 括号可以改变运算的次序。5) MATLAB图形绘制在二维曲线绘制中，最基本的指令是plot（ ）函数。如果用户将x和y两组数据分别在向量x和y中存储，且它们的长度相同，调用该函数的格式为：plot（x，y）这时将在一个图形窗口上绘出所需要的二维图形，可在MATLAB的HELP中查找plot（ ）函数的相关内容，如曲线颜色和线型的改变。在三维曲线绘制中，最基本的指令是plot 3（ ）函数。它使用格式与plot（ ）十分相似。该函数的调用格式为：plot 3（x，y，z，选项）其中x，y，z分别为维数相同的向量，分别存储曲线的三个坐标的值；选项可以定义曲线的线型、颜色等信息。（1） 绘制一个周期内的正弦曲线。i) 先产生自变量t向量。ii) 由给出的自变量向量求取其正弦函数值向量。iii) 调用plot（ ）函数绘制曲线。输入 （2） 在一个绘图窗口上同时绘制多条曲线 （3） 假设有一个时间向量t，对该向量进行下列运算可以构成三个坐标的值向量x = sin ( t ), y = cos ( t ), z = t如果要用粗实线绘制该曲线，可键入下面的程序段t = 0 : pi / 50 : 2*pi;x = sin ( t ); y = cos ( t ); z = t; h = plot 3 (x, y, z, g )g“中，g表示绿色，表示转型。6) MATLAB语言在控制系统分析中的应用若要在MATLAB环境下得到传递函数的形式，可以调用tf ( )函数。该函数的调用格式为G = tf ( num, den );其中 num, den 分别为系统传递函数的分子和分母多项式系数向量。返回的G为传递函数形式。（1） 设系统传递函数 输入下面的命令num = 1, 5, 3, 2; den = 1, 2, 4, 3, 1; G = tf ( num, den )（2） 设系统传递函数 输入下面的命令 num = 1, 5; den = 1, 2, 0, 3, 4; G = tf ( num, den )4.实验报告1） 写出MATLAB仿真软件的工作环境特点。2） 如何使用帮助文件。3） 实现五个实验内容的所有题目，并将答案记录。4） 整理在实验过程中遇到的问题及如何解决的。5.预习要求1）阅读实验内容及实验目的。2）完成对MATLAB软件的熟悉工作。实验二 M文件的缩写（一） 实验环境 计算机 MATLAB软件（二） 实验目的 1. 学习MATLAB中的关系运算和逻辑运算，掌握它们的表达形式和用法。2. 掌握MATLAB 中的选择结构和循环结构。3. 学会用MATLAB进行M文件的编写和调用。（三） 预备知识 1.关系和逻辑运算 MATLAB常用的关系符有：、=、=、=、=。2.选择结构 if语句和switch语句3.循环结构 for语句一般用于循环次数已知的情况，while语句一般用于循环次数未知的情况（四） 实验内容和步骤1. 创建一个矩阵，用函数all和any作用于该矩阵，比较结果。创建一个矩阵 a=1,2,0,3;2,0,1,4; b=all(a),c=any(a),d=all(b),e=any(b)比较结果 b=1 0 0 1 c= 1 1 1 1 d=0 e=12. 编写一个switch语句，判断输入数的奇偶性。 n=input(n=); switch mod(n,2); case 1 A=奇 case 0 A=偶 otherwise A=空 end3. 编写一个程序画出某一分段函数所表示的曲面，并用M文件存储。步骤1：打开MATLAB的M文件编辑器file/new/M-file,编写内容。步骤2：选择file/save命令，将文件保存并命名。步骤3：在command window窗口输入文件名，可看到图形。（五） 练习1. 编写一个程序计算n的阶乘。functionN=input(N=); result=1; for i=1:N result=result*i;endresult; aaaN=3ans = 62. 编写一个程序求出阶乘大于或等于9999的最小整数。 function m=feim=1;max=9999n=1;while mm=1fei max=3.6973e+197 n=120 ans=6.6895e+198 n=119;jiech(119) m=5.5746e+196 ans=5.5746e+196实验三 Matlab程序设计基本方法（一）实验目的：1、熟悉MATLAB 程序编辑与设计环境2、掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法3、函数文件的编写和设计4、了解和熟悉跨空间变量传递和赋值（二）实验基本知识： u for循环结构语法：for i初值：增量：终值 语句1 语句n end 说明：1i初值：终值，则增量为1。 2初值、增量、终值可正可负，可以是整数，也可以是小数，只须符合数学逻辑。u while 循环结构 语法：while 逻辑表达式 循环体语句 end 说明：1、whiIe结构依据逻辑表达式的值判断是否执行循环体语勾。若表达式的值为真，执行循环体语句一次、在反复执行时，每次都要进行判断。若表达式的值为假，则程序执行end之后的语句。2、为了避免因逻辑上的失误，而陷入死循环，建议在循环体语句的适当位置加break语句、以便程序能正常执行。（执行循环体的次数不确定；每一次执行循环体后，一定会改变while后面所跟关系式的值。） 3、while循环也可以嵌套、其结构如下： while逻辑表达式1 循环体语句1 while逻辑表达式2 循环体语句2 end 循环体语句3 end u if-else-end分支结构if 表达式 1 语句1 else if 表达式 2(可选) 语句2 else(可选) 语句3 end end 说明：1.if结构是一个条件分支语句，若满足表达式的条件，则往下执行；若不满足，则跳出if结构。2else if表达式2与else为可选项，这两条语句可依据具体情况取舍。3注意：每一个if都对应一个end，即有几个if，记就应有几个end。u switch-case结构语法：switch表达式case常量表达式1 语句组1 case常量表达式2 语句组2 otherwise 语句组n end 说明：1switch后面的表达式可以是任何类型，如数字、字符串等。2当表达式的值与case后面常量表达式的值相等时，就执行这个case后面的语句组如果所有的常量表达式的值都与这个表达式的值不相等时，则执行otherwise后的执行语句。u 程序流程控制指令break、return、pause 2、函数文件的结构和编写方法 函数只能在函数体内对变量进行操作，也就是只能访问函数本身工作空间中的变量。M函数文件的结构（1） 函数定义行（function） （2） H1行（函数帮助文本的第一行） （3） 函数帮助文本（4） 函数体（5） 注释函数文件编写后，保存时，其文件名必须与函数名相同。注意：函数名不要与MATLAB自身的函数命令相同。（三）实验内容： 1、熟悉MATLAB 程序编辑与设计环境2、用for 循环语句实现求1100 的和3、用for 循环语句实现编写一个求n阶乘的函数文件4、找到一个n!10100 的值（利用上题的n 阶乘函数文件）（两种方法）5、编写一个乘法表（9 9 ） 实验四 SIMULINK在控制的应用(一) SIMULINK简要介绍1. 实验目的1) SIMULINK的使用方法。2) 熟悉SIMULINK模块库的分类及其相应用途。3) 能够使用SIMULINK进行系统模型的建立并仿真等。2. 实验仪器计算机一台3. 实验内容1) SIMULINK的启动要启动SIMULINK，先要启动MATLAB。在MATLAB窗口中单击按钮，如图2-1所示，或在命令窗口中输入命令SIMULINK，将会进入SIMULINK库模块浏览界面，如图2-2所示。单击窗口左上方的新建按钮，SIMULINK会打开一个名为untilited（无标题）的模型窗口，如图2-3所示。随后，按用户要求可以在此模型窗口中创建模型及进行仿真运行。图2-1 启动SIMULINK图2-2 Simulink的主界面库模块浏览器图2-3 空的模块窗口2) SIMULINK模块库SIMULINK提供了9类基本模块库：连续系统模块库（Continous）、离散系统模块库（Discrete）、函数与表模块库（Function&Tables）、数学运算模块库（Math）、非线性系统模块库（Nonlinear）、信号与系统模块库（Signals&System）、输出模块库（Sink）、输入源模块库（Sourses）、子系统模块库（Subsystems）等基本模块库。各基本模块库的功能介绍见附录四。除了公共模块库之外，SIMULINK中还集成了许多面向不同专业领域的专业模块库，普通用户一般很少用到其中的模块。因此，在介绍SIMULINK的专业模块库时，仅对模块库的总体功能做简单的概述。如果用户需要的话，可以在SIMULINK中的模块描述栏了解其主要功能。除了基本模块库外，SIMULINK还提供许多面向各专业领域的专业模块子集：DSP模块集、定点运算模块集、非线性控制设计模块集、电源系统模块集等。3) 用SIMULINK建立系统模型及仿真（1） SIMULINK建模方法启动SIMULINK程序后，打开一个空白的模型编辑窗口来建立新的系统模型；打开相应的子模块库，选择所需要的元素，拖动到模型编辑窗口的合适位置；如要修改模块的参数，则需用鼠标双击该模块图标，这样就会出现相应的对话框，进一步提示用户修改模块参数；当所有的模块都画出来之后，则可以再画出模块间必要的连线，构成完整的系统。模块间的连线很简单，只需用鼠标点按起始模块的输出端（三角符号），再拖动鼠标，到终止模块的输入端处释放鼠标键，则会自动地在两个模块间画出带箭头的连线。（2） 仿真题目（i）完成积分环节及振荡环节的仿真分析，输入信号为阶跃信号。（ii）在SIMULINK环境下搭建阶跃响应时的模型，并用示波器观测输出波形A） （传递函数形式） B）（零极点形式）（iii）将上面题目中的示波器横轴终值修改为50。4. 实验报告4) 写出SIMULINK模块库的特点。5) 如何修改用到的模块的参数。6) 示波器模块的功能。7) 完成仿真题目，并将答案记录。8) 整理在实验过程中遇到的问题及如何解决的。5. 预习要求1) 阅读实验内容及实验目的。2) 完成对SIMULINK模块库的熟悉工作。实验五 MATLAB在时域分析中的应用1. 实验目的1) 通过用MATLAB及SIMULINK对控制系统的时域分析有感性认识。2) 明确对于一阶系统，单位阶跃信号、单位斜坡信号以及单位脉冲信号的响应曲线图。3) 对于二阶系统阶跃信号的响应曲线图以及四种不同阻尼比取值范围的二阶系统曲线比较图。4) 利用MATLAB软件来绘制控制系统的零极点分布图以判断系统的稳定性。5) 绘制系统根轨迹等。注：实验内容（七）中的系统动态性能分析请于学习完性能指标的计算后做。2. 实验仪器计算机一台3. 实验内容1) 一阶系统的单位阶跃响应在SIMULINK环境下搭建图2-4的模型，进行仿真，得出仿真曲线图。图2-4 一阶系统的单位阶跃响应模型分析仿真结果与理论情况是否统一，观测对应的各项性能指标的大概值。2) 一阶系统的单位斜坡响应在SIMULINK环境下搭建图2-5的模型，进行仿真，得出仿真曲线图，。图2-5 一阶系统的单位斜坡响应模型分析仿真结果与理论情况是否统一，观测对应的各项性能指标的大概值。3) 一阶系统的单位脉冲响应在medit环境下，编译一个.m文件，利用impulse（）函数可以得出仿真曲线图。此处注意分析在SIMULINK环境中可否得到该曲线图。4) 二阶系统的单位阶跃响应已知二阶系统其中