自控matlab实验讲义

1、自动控制原理matlab仿真实验指导书信阳师范学院物理电子工程学院自控教研室编制目 录自动控制原理matlab仿真实验要求.3实验报告封皮模板.4实验一 控制系统数学模型在matlab中的表示.5实验二 线性系统的时域分析.8实验三 线性系统的根轨迹分析.11实验四 线性系统的频域分析.13实验五 离散系统的分析.16实验六 非线性系统的分析.18自动控制原理matlab仿真实验要求1、实验前针对各实验的“实验内容”预习并编制好程序；2、上机调试注意matlab程序调试器和simulink仿真的使用方法；3、实验结束后打印实验报告。实验报告内容包括：实验名称、实验日期、实验目的、实验内容、实验

2、程序清单、simulink仿真图、结果与分析。【封皮如下页所示】实验报告格式如下所示。实验名称： 实验日期： 1、 实验目的.2、 实验内容.(要求：将题目附上，依次为：程序清单、显示结果或siumulink仿真图形、结果、分析)自动控制原理matlab分析与设计仿真实验报告院系： 班级： 姓名： 学号： 时间： 年 月实验一 控制系统数学模型在matlab中的表示一、 实验目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握线性系统模型在matlab中的描述方法；3.掌握在matlab中线性系统模型之间的转换方法；4.初步熟悉simulink仿真的基本方法。二、 本实验用到的函数1、线性系统的描述（

3、1）传递函数描述法：g=tf(num,den)（2）由开环传递函数得到闭环传递函数：num,den=cloop(num1,den1);g=tf(num,den)（3）零-极点描述法：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) %得到传递函数h中分子分母的系数数组2、线性系统模型之间的转换（1）传递函数转换为零-极点模式 z,p,k =tf2zp(num,den); g=zpk(z,

4、p,k)（2）零-极点转换为传递函数模式 num,den =zp2tf(z,p,k);g=tf(num,den)（3）模型参数的获取 z,p,k =zpkdata(g,v) %获取零-极点参数 num,den=tfdata(g ,v) %获取传递函数参数3、连续系统转换为离散系统 gd=c2d(g,ts,method) method默认zoh,可省4、离散系统转换为连续系统 g=d2c(gd, method) method默认zoh，可省5、结构框图的模型表示（1）串联结构 g=series(g1,g2)或g=g1*g2（2）并联结构 g=parallel(g1,g2)或g=g1g2（3）反馈

5、结构 g=feedback(g1,g2,sign) sign默认为“-1”，即默认是“负反馈”。g=cloop(num,den,sign) %实现单位反馈,sign缺省为“-1”三、 实验内容1、已知闭环系统的传递函数为：要求：利用matlab软件中的函数，（1）把g(s)写成零、极点形式；（2）把g(s)写成部分分式的形式；（3）当采样周期为1s时，求出离散后的模型。2、已知系统结构图如图所示，用matlab软件编程求出闭环系统的传递函数c(s)/r(s)；用simulink建立仿真图。实验二 线性系统的时域分析一、 实验目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab对系统进行

6、时域分析和设计的方法；3.熟悉利用simulink仿真对系统进行时域分析的方法；4.能够根据所得结果对系统进行性能分析。二、 本实验用到的函数1、连续系统的单位阶跃响应：step函数 step(num,den) 或 y=step(num,den,t)2、连续系统的单位脉冲响应：impulse函数 impulse(num,den) 或 y=impulse(num,den,t)3、连续系统的任意输入响应：lsim函数 y=lsim(num,den,r,t)t事先定义的矢量；r输入信号。4、计算极点：pole函数 p=pole(g)5、计算零点和增益：tzero函数 z,gain=tzero(g)6

7、、绘制零极点：pzmap函数 pzmap(g) pzmap(g1,g2,) p,z=pzmap(g) 7、闭环系统的阻尼系数和固有频率：damp函数 wn,zeta=damp(g)8、稳定性分析：roots(多项式系数矩阵) %得出多项式的根9、稳态误差的计算：er1=y1(length(t); length(t)所考虑时间段内最后一个时间点；y1单位脉冲响应。er2=y2(length(t)-1; length(t)所考虑时间段内最后一个时间点；y2单位阶跃响应。er3=y3(length(t)-length(t); length(t)所考虑时间段内最后一个时间点；y3单位斜坡响应。三、 实

8、验内容1、已知二阶系统的闭环传递函数为：。要求：利用matlab中的函数，求分别为0，0.7，1，2时系统的单位阶跃响应，并利用所求结果分析阻尼比对系统性能的影响。2、系统结构图如图所示，用matlab中的函数，（1）求该系统的单位阶跃响应（图形显示);（2）求单位阶跃输入时的稳态误差；（3）分析该系统的稳定性。（4）利用simulink仿真实现以上问题的求解。3、 设单位负反馈系统的开环传递函数为：，（1）对该系统进行仿真，分析其动态性能；（2）忽略系统闭环零点，对系统动态性能进行仿真，分析仿真结果。 4、试作出以下系统的单位阶跃响应曲线，并与原系统的响应曲线进行比较，并对实验结果进行分析。

9、四、实验报告要求（1）分析系统的阻尼比和无阻尼振荡频率对系统阶跃响应的影响；（2）分析响应曲线的零初值、非零初值与系统模型的关系；（3）分析响应曲线的稳态值与系统模型的关系；（4）分析系统零点对阶跃响应的影响。实验三 线性系统的根轨迹分析一、 实验目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab函数实现系统根轨迹的绘制及设计的方法。3.能够根据所得结果对系统进行性能分析。二、 本实验用到的函数1、绘制根轨迹：rlocus函数 (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、调用rlocus之后，调用rlocfind函数，可得到根轨迹上任意点的增益值和闭环极点； k,pole=rlocfind(g);3、设置图形的坐标范围： v=-x x -y y;axis(v)k开环增益；r,pole对应于k时系统的闭环极点。4、在复平面内标出传递函数的零极点：pzmap5、主导极点的等线和等n线：sgrid(new)%清除图形窗口绘制等线和等n线sgrid(zeta,wn,new) %绘制指定的等线和等n线6、系统根轨迹的设计工具rltoolrltool%打开空白的根轨迹分析的图形界面rltool(g) %打开某系统根轨迹分析的图形界面三、 实验内容

11、1、已知单位负反馈系统的开环传递函数为：（1）试画出k=0 时的闭环系统根轨迹；（2）求出临界时的k值及闭环极点；（3）求出使系统稳定的k值的区间;（4）利用matlab函数将剩余的根求出。2、已知单位负反馈系统的开环传递函数为：（1）试画出k=0 时的闭环系统根轨迹；（2）找出=0.707附近的点，绘制出其相应的单位阶跃响应曲线。3、已知反馈控制系统中，。（1）完成根轨迹的绘制，并判定闭环系统的稳定性。 （2）如果，试判断此时系统的稳定性，研究由于改变所产生的效应。四、 实验报告要求1、记录给定系统与显示的根轨迹图；2、完成上述各题要求，分析闭环极点在s平面上的位置与系统动态性能的关系。实验

12、四 线性系统的频域分析一、 实验目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab对系统进行频域分析的方法。3.能够根据所得结果对系统进行性能分析。二、 本实验用到的函数1、线性系统频率特性：gw=polyval(num,j*w)./polyval(den,j*w)mag=abs(gw) %幅频特性pha=angle(gw)%相频特性2、nyquist曲线nyquist(g) 或nyquist(g,w) %绘制nyquist曲线nyquist(g1,g2,w) %绘制多条nyquist曲线re,im,w=nyquist(g,w)%由w得出对应的实部和虚部re,im,w=nyquist

13、(g)%得出实部、虚部和频率说明：g为系统模型；w为频率向量，也可以用wmin，wmax表示频率范围。plot（re,im)%得出nyquist图3、bode图 bode(g) %绘制bode图，在系统频率响应范围内自动选取值绘图。 给出频率的范围：w=logspace(m,n,npts); %产生频率自变量的采样点，即：在10m和10n之间，产生npts个用十进制对数分度的等距离点，npts的具体值由用户定。bode(g,w) %绘制bode图 需要指定幅值范围和相角范围时：mag,pha=bode(g,w) %得出对应的幅值和相角mag,pha,w=bode(g) %得出幅值、相角和频率m

14、agdb=20*log10(mag)%把幅值转变成以db为单位 后两种方式，需添加绘图函数才能生成完整的bode图：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) %生成带有裕量标记（垂直线）的bode图gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w) %得出幅值裕度和相角裕度 gm为幅值裕度，wcg为截止频率； pm为相角裕度，wcp为穿越频率; mag、phase、w由bode(单位：不是db)或nyquist命令得到。三、

15、 实验内容1、已知系统的传递函数为：要求：利用matlab中的函数，绘制系统的bode图、nyquist图，判定系统的稳定性，并求出系统的幅值裕度和相角裕度。2、 利用matlab绘制下列传递函数的对数幅频渐进特性曲线。3、已知原系统的传递函数为：要求：（1）绘制原系统的bode图，标出相角裕度和幅值裕度；（2）引入串联超前校正装置 ，绘制校正后系统的bode图，并与原系统的bode图进行比较，分析对系统的影响。4、 （选作）已知原单位负反馈系统的开环传递函数为：，要求稳态误差ess5%，剪切频率c=2rad/s,相角裕度40，试用matlab语句编制滞后校正装置的设计程序，绘制校正前后的bo

16、de图和阶跃响应曲线。5、 （选作）结合书上p259例6-7和例6-8对控制系统的串联校正的设计方法进行学习。实验五 离散系统的分析一、 实验目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab对离散系统进行分析的方法。3.能够根据所得结果对系统进行分析。二、 本实验用到的函数1、z变换和z反变换 f=ztrans(f) %求函数f(t)的z变换 f=iztrans(f) %求表达式f的z反变换2、离散系统的数学描述 g=tf(num,den,ts) %g(z)的自变量为z g=filt (num2,den,ts) %g(z)的自变量为z-1 零-极点增益描述法：g=zpk(z,p,k

17、,ts)ts采样周期，默认值为1（即 时）。3、 连续系统的离散化4、离散系统的阶跃响应分析：dstep函数dstep(num,den) %由闭环脉冲传递函数绘制离散系统阶跃响应曲线y,x= dstep(num,den,n) %由闭环脉冲传递函数得出n点（采样点数，可选）离散系统的阶跃响应5、离散系统的单位脉冲响应：dimpulse函数 dimpulse(num,den) y,x= dimpulse (num,den,n）4、离散系统的任意输入响应：dlsim函数/filter函数 dlsim(num,den,r) y,x= dlsim (num,den,r） x状态；n采样点数；r输入。三、

18、 实验内容1、如图 所示的采样控制系统，t=1s，求：（1）单位阶跃输入下的动态响应；（2）若添加零阶保持器，如图2所示，求系统的单位阶跃响应。2、学习教材p308的7.10.3离散pid控制器的设计方法，上机进行验证。并总结离散pid控制器的作用。实验六 非线性系统的分析一、 实验目的1.熟悉matlab的基本操作；2.掌握利用matlab对非线性系统进行分析的方法。3.能够根据所得结果对系统进行分析。二、 实验内容1、系统如图所示。要求：（1）建立该非线性系统的simulink仿真图，显示其系统输出；（2）编程求解自振的振幅和频率。2、对书中p8.6.3部分内容进行验证，总结非线性特性的作

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