2 实验讲义_09级控制系统数字仿真

1、2 实验讲义_09级控制系统数字仿真第1部分实验指导1关于上机实验1.上机实验的目的学习控制系统数字仿真课程，应当熟练地掌握程序设计的全过程，即独立编写出源程序，独立上机调试程序，独立运行程序和分析结果。仿真程序设计是一门实践性很强的课程，必须十分重视实践环节必须保证有足够的上机实验时间。该课程共计16课时的上机实验时间。除了学院定的上机实验以外，提倡同学们自己课余抽时间多编程实践。2.上机实验前的准备工作在上机实验前应事先做好准备工作，以提高上机实验的效率，准备工作包括：（l）熟悉MATLAB语言的运行环境和使用方法。（2）复习和掌握与本实验相关的内容。（3）带好实验讲义和U盘。3.上机实验

2、的步骤上机过程中出现的问题，除了是系统的问题以外，一般应自己独立处理，不要轻易寻求帮助。尤其对“出错信息”，应善于自己分析判断。这是学习调试程序的良好机会。上机实验一般应包括以下几个步骤:（1）启动MATLAB，进人MATLAB命令窗口。（2）输入程序。（3）检查一遍已输人的程序是否有错（包括输入时打错的和编程中的错误）。如发现有错，则及时改正。（4）进行编译。如果在编译和连接过程中发现错误，命令窗口上会出现“出错信息”。根据提示找到出错位置和原因，加以改正，再进行编译如此反复，直到顺利通过编译和连接为止。（5）运行程序，并分析运行结果是否合理和正确。在运行时要注意当输入不同数据时所得到的结果

3、是否正确，应多运行几次，分别检查在不同情况下程序是否正确。（6）输出程序清单和运行结果。4.实验后，应整理出实验报告，实验报告应包括: 实验题目；源程序；5.实验内容的安排本实验教材给出4个实验内容，学生应在实验前将教师指定的题目编好程序，然后上机输人和调试。2 关于程序调试为了帮助大家调试程序和分析程序，下面简单介绍程序出错的种类。（1）语法错误不符合MATLAB语言的语法规定例如将plot写为polt、括弧不匹配、变量命名错误等，这些都会在编译时被发现并指出。这些都属于“致命错误”。不改正是不能通过编译的。对一些在语法上有轻微毛病但不影响程序运行的问题（如定义了变量但始终未使用），编译时会

4、发出“警告”虽然程序能通过编译，但不应当使程序“带病工作”应该将程序中所有导致错误(error)和警告(warning)的因素都排除，再使程序投入运行。（2）逻辑错误程序无语法错误，也能正常运行，但是结果不对。例如求s=l23十十100。有人写出以下语句:s=1;for i=1:100s=s+i;end;sum=s语法没有错，但求出的结果是l 123十100之和，而不是l 23十十100之和。这类错误可能是设计算法时的错误，也可能是算法正确而在编写程序时出现疏忽所致。这种错误计算机是无法检查出来的。如果是算法有错，则应先修改算法，再改程序。如果是算法正确而程序写得不对，则直接修改程序（3）运行

5、错误有时程序既无语法错误，又无逻辑错误，但程序不能正常运行或结果不对。多数情况是数据不对，包括数据本身不合适以及数据类型不匹配。 3 Matlab 基础练习（不上交）（1）生成矩阵i) 创建如下矩阵?=963852741A 和 ?=112130321B ii) 创建C ：一个33 单位阵，用最方便的方法。 （2）基本矩阵运算运用问题1.1中得到的矩阵A 和B ，i) 对比A* B 和 A.*B 的结果，并解释MATLAB 是如何得出相应的结果。ii) A* B=B*A 吗？为什么？iii) A .* B= B .* A 吗? 为什么？iv)创建矩阵D=B 1-，并计算B* D =?v) 比较A

6、/B AB ，并解释所得结果？vi) 创建一个新的 33 矩阵 E ，主对角线元素为5，其它元素为0。 （3）脚本程序输入并编辑一个脚本文件程序来计算=1001i i ，并输出结果。 （4）函数文件 运行一个自己编写的函数文件程序来计算=ni i s 121，并输出结果。 （5）制图 x xe y 35-=, )(02.0x size randn y yn +=（a noisy version of y ），20x 。i) 用plot 将两条曲线画在同一个坐标轴上，原函数用实线，加噪音的函数用开圆（或其它标示符）区分，颜色随意。图及横纵坐标轴需要标注名称，图标标识不同曲线。ii) 用hold

7、on 将两条曲线画在同一个坐标轴上，其它要求同i ），加上网格。iii) 用subplot 将两条曲线画在同一幅图的两个不同的坐标轴上，其它要求同 i ）。 第2部分实验内容实验1 PID控制1.1实验目的：编程实现PID控制算法。1.2实验内容：二阶系统的时域响应。下面是一个单位阶跃响应，已知系统是一阶线性系统，其传递函数为G(s)。系统内嵌在反馈控制回路中，如下图所示，闭环系统也是一阶的。（1）系统G(s)的开环参数(DC 增益和时间常数) 分别为：DC 增益= _时间常数= _ sec.（2）稳态输出和稳态输入之间的关系？Yss/Uss = _（3）若要稳态误差不大于2%，比例增益K的应

8、该为多大？SSE2%时，比例增益至少为_（4）系统G(s)的闭环参数(DC 增益和时间常数) 分别为多少？以 K的函数形式给出。闭环DC 增益= _闭环时间常数= _ sec.（5）建立开环传递函数。用你在上面步骤中得到的数值写成如下形式：G(s) = G dc/(s + 1)（6）建立仿真模型，用Matlab得到系统的阶跃响应，观察比例增益K变化时系统响应的变化，并对比分析仿真结果来验证理论分析的结果。1.3实验程序：l.学习Matlab中和本实验相关的命令。figurefor-endstep(num,den)titlehold on -hold off2保存或复制实验曲线和数据。1.4实验

9、结果：1给出相应程序代码并记录实验程序的运行结果。2分析比例增益K对系统响应的影响。实验2 根轨迹2.1实验目的：绘制根轨迹。2.2实验内容：反馈系统如下图。系统有一个可调的增益放大器，系数为K。被控对象传递函数为：G(s) = (s + 5)/(s + 1)(s + 3) 需要你分析一下系统的行为。画出作为增益的函数的闭环系统的根轨迹。（i）明确指出极点离开实轴的点或者是进入实轴的点。（ii）给出那些点出现时的K值。2.3实验程序：1、学习根轨迹绘制相关语句。k,p=rlocfind(num,den)gtextnum,den=cloop(num,den,-1)2、学习频率绘制相关语句。bod

10、e(num,den)num,den=zp2tf(z,p,k)logspacesubplot、semilogx、xlabel、margin3、分别运行两组实验程序，观察试验结果。4、保存或复制实验曲线和数据。2.4实验结果分析1、给出相应程序代码并记录实验程序的运行结果。2、分析放大系数K对根轨迹影响，并分析放大系数K系统稳定性的影响。3、分析改变阻尼 对频率特性的影响4、读取相角裕量和幅值裕量实验3 伯德图补偿3.1实验目的：MATLAB辅助设计控制系统。3.2实验内容：绘制伯德图，并进行补偿分析。下面是一个带可变增益的闭环系统。被控对象G(s) = 2/(0.5s + 1)(s2 + 4s

11、+ 1)。画出G(s) 的伯德图。（i）确定系统G(s)的相角裕量和幅值裕量。（ii）确定相角裕量为40o时的增益K。（iii）确定相角裕量为40o时阶跃输入的可达SSE，是否令人满意？3.3实验程序：1、学习频率绘制相关语句。bode(num,den)num,den=zp2tf(z,p,k)logspacesubplot、xlabel、margin2、运行实验程序，观察结果。3、保存或复制实验曲线和数据。3.3实验结果分析1、给出相应程序代码并记录实验程序的运行结果。2、观察程序画出的bode图，与手绘图进行比较。3、在bode图上熟练相角裕量和幅值裕量，并判断闭环系统的稳定性。实验4 奈奎

12、斯特图4.1实验目的：MATLAB 辅助设计控制系统。4.2实验内容：绘制奈奎斯特图，并进分析。1、请手绘一下系统的奈图，给出高频渐进线、Dc 增益点，实虚轴交点及所在的频率，并用nyquist 命令自动生成奈图，进一步验证所绘制的奈图的正确性。a.一阶系统 G(s) = 1/(s + 1)b.二阶系统 G(s) = 1/(s + 1)2c.三阶系统 G(s) = 1/(s + 1)32、用nyquist 命令直接绘制高阶系统22)1001()501)(1()101)(51()(s s s s G +=的奈图。 3、用nyquist 命令直接绘制复极点系统1006100)(2+=s s s G 的奈图。 4、用nyquist 命令直接绘制系统)2