哈工大仿真技术及应用实验指导书

1、仿真技术及应用实验指导书哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目 录前 言I目 录II实验项目2实验1 利用替换法构建系统仿真模型实验21.1 实验目的21.2 实验内容与要求21.5 实验报告要求3实验2 利用根匹配法构建系统仿真模型实验42.1 实验目的42.2实验内容与要求42.5实验报告要求5实验3 利用数值积分算法的仿真实验63.1 实验目的63.2 实验内容与要求63.5实验报告要求7实验四 基于Simulink控制系统仿真与综合设计84.1实验目的84.2实验内容与要求84.5 实验报告要求9实验五 基于Simulink三相电路仿真105.1实验目的105.2实验内容与要求105.5 实

2、验报告要求12实验六 基于Simulink的直流斩波电路仿真实验136.1实验目的136.2实验内容与要求146.5 实验报告要求15实验七 基于Simulink的简单电力系统仿真实验167.1实验目的167.2实验内容与要求167.5 实验报告要求17实验8 基于Simulink的伺服系统仿真178.1实验目的178.2实验内容与要求18- 16 -仿真技术及应用实验指导书实验项目实验1 利用替换法构建系统仿真模型实验1.1 实验目的1) 熟悉MATLAB的工作环境；2) 掌握MATLAB的 .M文件编写规则，并在命令窗口调试和运行程序；3) 掌握利用替换法构造系统离散模型的方法,并对仿真结

3、果进行分析。1.2 实验内容与要求1.2.1 实验内容系统电路如图1.1所示。电路元件参数：直流电压源，电阻，电感，电容。电路元件初始值：电感电流，电容电压。系统输出量为电容电压。连续系统输出响应的解析解为： （1.1）其中，1.2.2 实验要求1） 分别利用简单替换法和双线性替换法构建与原系统相似的离散系统模型，并求出离散系统的输出量响应曲线；2） 对比分析利用简单替换法和双线性替换法构建的与原系统相似的离散系统模型的仿真精度与模型运行的稳定性问题；3） 利用Matlab软件的.m文件编写系统仿真程序；4） 利用subplot和plot函数将输出结果画在同一个窗口中，每个子图加上对应的标题。

4、1.5 实验报告要求） 给出利用简单替换法及双线性替换法构建离散系统模型的过程及其传递函数模型和差分方程模型；） 给出系统仿真程序；） 选择一组典型的采样周期，对系统进行仿真试验，给出仿真试验曲线；） 分析仿真结果，从仿真模型实现的难易性、模型的稳定性、模型的精度等方面，对两种方法构造的离散系统模型进行对比分析，并给出分析结论。实验2 利用根匹配法构建系统仿真模型实验2.1 实验目的1) 熟悉MATLAB的工作环境；2) 掌握M文件编写规则及在MATLAB命令窗口运行程序；3) 掌握利用根匹配法构造系统离散模型的方法，并对仿真结果进行分析。2.2 实验内容与要求2.2.1 实验内容系统电路如图

5、2.1所示。电路元件参数：直流电压源，电阻，电感，电容。电路元件初始值：电感电流，电容电压。系统输出量为电容电压。连续系统输出响应的解析解为： （2-1）其中，。2.2.2 实验要求1） 利用跟匹配法构建与原系统相似的离散系统模型，并求出离散系统的输出量响应曲线；2） 对比分析利用简单替换法、双线性替换法和跟匹配法构建的与原系统相似的离散系统模型的仿真精度与模型运行的稳定性问题；3） 利用Matlab软件的.m文件编写系统仿真程序；4） 将离散系统仿真结果输出到文件中。编写.m文件程序调用该数据文件，并利用plot函数将离散系统仿真结果与原系统的解析解画在同一个坐标系中。2.5实验报告要求）

6、给出利用根匹配法构建离散系统模型的过程及其传递函数模型和差分方程模型；） 给出系统仿真程序；） 选择一组典型的采样周期，对系统进行仿真试验，给出仿真试验曲线及算法误差曲线（与准确解相比）；） 分析仿真结果。从仿真模型实现的难易性、模型的稳定性、模型的精度和算法误差与采样周期的关系角度，对算法的仿真结果进行分析，并与双线性变换法的仿真结果进行对比分析。实验3 利用数值积分算法的仿真实验3.1 实验目的1) 熟悉MATLAB的工作环境；2) 掌握MATLAB的 .M文件编写规则，并在命令窗口调试和运行程序；3) 掌握利用欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及四阶龙格库塔法构建系统仿真模型的方法,并

7、对仿真结果进行分析。3.2 实验内容与要求3.2.1 实验内容系统电路如图2.1所示。电路元件参数：直流电压源，电阻，电感，电容。电路元件初始值：电感电流，电容电压。系统输出量为电容电压。连续系统输出响应的解析解为： （2-1）其中，。3.2.2 实验要求1） 利用欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法构建系统仿真模型，并求出离散系统的输出量响应曲线；2） 对比分析利用欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法构建系统仿真模型的仿真精度与模型运行的稳定性问题；3） 分别编写欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Ku

8、tta法的.m函数文件，并存入磁盘中。.m函数文件要求输入参数为系统状态方程的系数矩阵、仿真时间及仿真步长。编写.m命令文件，在该命令文件中调用已经编写完成的上述.m函数文件，完成仿真实验；4） 利用subplot和plot函数将输出结果画在同一个窗口中，每个子图加上对应的标题。3.5实验报告要求） 给出欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法构建离散系统模型的过程；） 给出系统仿真程序；） 给出仿真试验曲线；） 分析仿真结果，从仿真模型实现的难易性、模型的稳定性、模型的精度等方面，对欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法构造的离散

9、系统模型进行对比分析，并给出分析结论。实验四 基于Simulink控制系统仿真与综合设计4.1实验目的） 熟悉Simulink的工作环境及其功能模块库；） 掌握Simulink的系统建模和仿真方法；） 掌握Simulink仿真数据的输出方法与数据处理；） 掌握利用Simulink 进行控制系统的时域仿真分析与综合设计方法；） 掌握利用 Simulink对控制系统的时域与频域性能指标分析方法。4.2实验内容与要求4.2.1 实验内容图4.1为单位负反馈系统。分别求出当输入信号为阶跃函数信号、斜坡函数信号和抛物线函数信号时，系统输出响应及误差信号曲线。若要求系统动态性能指标满足如下条件：a) 动态

10、过程响应时间；b) 动态过程响应上升时间；c) 系统最大超调量。按图4.2所示系统设计PID调节器参数。图4.1 单位反馈控制系统框图图4.2 综合设计控制系统框图3.2.2 实验要求） 采用Simulink系统建模与系统仿真方法，完成仿真实验；） 利用Simulink中的Scope模块观察仿真结果，并从中分析系统时域性能指标（系统阶跃响应过渡过程时间，系统响应上升时间，系统响应振荡次数，系统最大超调量和系统稳态误差）；） 利用Simulink中Signal Constraint模块对图4.2系统的PID参数进行综合设计，以确定其参数；） 对系统综合设计前后的主要性能指标进行对比分析，并给出P

11、ID参数的改变对闭环系统性能指标的影响。4.5 实验报告要求） 给出实验目的、实验任务、系统原理与结构图；） 给出系统仿真模型及仿真过程，如模型的建立、仿真方法的选择及仿真参数的设置等；） 给出PID参数的整定过程及其整定参数；） 给出仿真试验曲线，并对其进行分析和讨论；） 数据整理和计算结果，尽量以表格列出，并标明物理量的单位；） 对比分析有无PID控制器时，系统性能指标的变化；） 根据实验结果作出结论，并给出实验过程中发现的问题、实验的收获、心得体会、对实验的建议等；） 报告要求文理通顺，简明扼要，字迹清楚。 实验5 基于Simulink三相电路仿真5.1实验目的） 掌握Simulink的

12、工作环境及SimPowerSystems功能模块库的应用；） 掌握Simulink的电路系统建模和仿真方法；） 掌握Simulink仿真数据的输入与输出方法；） 掌握三相电源及负载的连接方式，了解三相负载不同连接方式对线路电压、电流和负载功率的影响；） 了解不对称负载作星形连接时对中点电压的影响；5.2实验内容与要求5.2.1 实验内容三相工频电路如图5.1所示。三相工频电源为对称三相电源，其中。为线路电阻。三相负载为对称三相负载，其中，。三相开关在时间时刻合闸。在有中线和无中线条件下，分析电路在负载对称和不对称工作状态下的线（相）电压、线（相）电流、中线电压和电流以及负载有功功率与无功功率，

13、并给出其瞬时值曲线及电路稳态时负载相电压和电流的幅值和相角值。图5.1 三相对称电路5.2.2 实验要求） 利用Simulink系统建模与系统仿真的方法，完成系统仿真分析实验；） 利用simulink库和SimPowerSystems库中的元件模型建立三相电路的有功功率、无功功率、电压与电流的幅值与相角及瞬时功率测量系统。对组建的测量系统进行封装，建立其子系统；） 仿真输出结果若为时间曲线，则利用Scope模块显示结果。仿真输出结果若为数值，则利用Display模块显示结果。测量数据的传递，利用From与Goto模块完成；） 将三相电路的相同物理量（如电压）显示在同一坐标系中，并在Scopy显

14、示界面中标注显示的物理量名称及符号。5.5 实验报告要求给出系统仿真模型及仿真过程，如模型的建立、仿真方法的选择及仿真参数的设置等。给出仿真试验曲线，并对实验曲线进行分析，给出系统在暂态阶段和稳态阶段系统电压、电流及其功率的变化曲线。实验6 基于Simulink的直流斩波电路仿真实验6.1实验目的） 掌握Simulink的工作环境及SimPowerSystems功能模块库的应用；） 掌握Simulink的电力电子电路建模和仿真方法；） 掌握Simulink下数学模型的仿真方法；） 掌握升压、降压斩波电路（Buck Chopper）的工作原理及其工作特点；） 掌握PID控制对系统输出特性的影响。

15、6.2实验内容与要求6.2.1 实验内容Buck降压型电路原理图如图6-1所示。图中，功率管VT为MOSFET开关调整组件，其导通与关断由控制脉冲决定；二极管VD为续流二极管，开关管截止时可保持输出电流连续。为输出电压给定参考量；为负载电阻。系统基本参数为：电源电压；变压器BT为理想变压器，其变比为；PWM频率为；误差放大器放大倍数为；电阻；整流滤波电容，PWM滤波电容、电感；负载电阻。系统基本参数见表6.1。分析Buck变换器的工作特性。表6.1 系统基本参数（）（）（）（）（）（）0.011000100.051010002:120006.2.2 实验要求） 在Simulink仿真环境中，利

16、用SimPowerSystems库模型建立系统仿真模型；） 分析Buck变换器系统参数的改变对输出电压的影响；） 根据PWM信号发生器原理构建其Simulink仿真模型，并封装成子系统。6.5 实验报告要求给出系统仿真模型及仿真过程，如模型的建立、仿真方法的选择及仿真参数的设置等。给出仿真试验曲线，并对实验曲线进行分析，给出负载变化时对系统特性的影响。实验七 基于Simulink的简单电力系统仿真实验7.1实验目的） 掌握Simulink的工作环境及SimPowerSystems功能模块库的应用；） 掌握Simulink的powergui模块的应用；） 掌握发电机的工作原理及稳态电力系统的计算

17、方法；） 掌握开关电源的工作原理及其工作特点；） 掌握PID控制对系统输出特性的影响。7.2实验内容与要求7.2.1 实验内容单机无穷大电力系统如图7-1所示。平衡节点电压。负荷功率。线路参数：电阻；电感。发电机额定参数：额定功率；额定电压；额定励磁电流；额定频率。发电机定子侧参数：，。发电机转子侧参数：，。发电机阻尼绕组参数：，。发电机转动惯量和极对数分别为和。发电机输出功率时，系统运行达到稳态状态。在发电机输出电磁功率分别为和时，分析发电机、平衡节点电源和负载的电流、电磁功率变化曲线，以及发电机转速和功率角的变化曲线。7.2.2 实验要求） 利用SimPowerSystems库中的发电机模

18、型、三相负荷模型建立系统的仿真模型；） 利用powergui模块，对系统的稳态响应及发电机的初始值进行分析，并给发电机付初始值；） 利用Bus Selector模块分选出需要的发电机输出参数。利用Three-Phase V-I Measurement模块测量三相电压与电流参数。） 给出平衡节点电源和负载的电流、电磁功率变化曲线，以及发电机转速和功率角的变化曲线7.5 实验报告要求给出系统仿真模型及仿真过程，如模型的建立、仿真方法的选择及仿真参数的设置等。给出仿真试验曲线，并对实验曲线进行分析。实验8 基于Simulink的伺服系统仿真8.1实验目的） 掌握Simulink的工作环境及SimPowerSystems功能模块库的应用；） 掌握Simulink的电力电子电路建模和仿真方法；） 掌握Simulink下数学模型的仿真方法；） 掌握PID控制对系统输出特性的影响。8.2实验内容与要求8.2.1 实验内容直流电机单闭环调速系统组成如图8.1所示。图8.1中，为给定输入量，为系统速度输出量，为系统偏差控制量。控制器选用PI调节控制方式，功率放大器选用PWM功率放大器，电机选用他励直流电机。系统参数见表8-1。给定速度，负载由空载到1