控制理论实验报告-MATLAB仿真实验

实验报告课程名称：控制理论〔乙〕指导老师：林峰成绩：__________________实验名称：MATLAB仿真实验实验类型：________________同组学生姓名：__________一、实验目的和要求〔必填〕 二、实验内容和原理〔必填〕三、主要仪器设备〔必填〕 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析〔必填〕七、讨论、心得实验九控制系统的时域分析实验目的：1．用计算机辅助分析的方法，掌握系统的时域分析方法。2．熟悉Simulink仿真环境。二、实验原理及方法：系统仿真实质上就是对系统模型的求解，对控制系统来说，一般模型可转化成某个微分方程或差分方程表示，因此在仿真过程中，一般以某种数值算法从初态出发，逐步计算系统的响应，最后绘制出系统的响应曲线，进而可分析系统的性能。控制系统最常用的时域分析方法是，当输入信号为单位阶跃和单位冲激函数时，求出系统的输出响应，分别称为单位阶跃响应和单位冲激响应。在MATLAB中，提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step，单位冲激响应函数impulse，零输入响应函数initial等等。实验内容：二阶系统，其状态方程模型为-0.5572-0.78141=+u0.781400y=[1.96916.4493]+[0]u四、实验要求：1．编制MATLAB程序，画出单位阶跃响应曲线、冲击响应曲线、系统的零输入响应、斜坡输入响应；〔1〕画出系统的单位阶跃响应曲线；A=[-0.5572-0.7814;0.78140];B=[1;0];C=[1.96916.4493];D=[0];G=ss(A,B,C,D);step(G)title('单位阶跃响应')〔2〕画出系统的冲激响应曲线；A=[-0.5572-0.7814;0.78140];B=[1;0];C=[1.96916.4493];D=[0];G=ss(A,B,C,D);impulse(G)title('单位脉冲响应')〔3〕当系统的初始状态为x0=[1,0]时，画出系统的零输入响应；A=[-0.5572-0.7814;0.78140];B=[1;0];C=[1.96916.4493];D=[0];x0=[1,0];initial(A,B,C,D,x0)title('零输入响应')〔4〕当系统的初始状态为零时，画出系统斜坡输入响应；A=[-0.5572-0.7814;0.78140];B=[1;0];C=[1.96916.4493];D=[0];[num,den]=ss2tf(A,B,C,D);t=0:0.01:7;u=t;num1(1)=0;num1(2)=0;num1(3)=num(1);num1(4)=num(2);num1(5)=num(3);den1(1)=den(1);den1(2)=den(2);den1(3)=den(3);den1(4)=0;den1(5)=0;c=step(num1,den1,t);plot(t,c,'o',t,u,'-');2．在Simulink仿真环境中，组成系统的仿真框图，观察单位阶跃响应曲线并记录之。1〕进入线性系统模块库，构建传递函数。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3〕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。4〕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，将其用左键拖至新建的“untitled”窗口。5〕连接各元件，用鼠标划线，构成闭环传递函数。6〕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。实验十控制系统的频域分析实验目的：用计算机辅助分析的方法，掌握频率分析法的三种方法，即Bode图、Nyquist曲线、Nichols图。实验原理及方法：1．Bode(波特)图设系统的传递函数模型：那么系统的频率响应可直接求出：MATLAB中，可利用bode和dbode绘制连续和离散系统的Bode图。2．Nyquist(奈奎斯特)曲线Nyquist曲线是根据开环频率特性在复平面上绘制幅相轨迹，根据开环的Nyquist线，可判断闭环系统的稳定性。反应控制系统稳定的充要条件是，Nyquist曲线按逆时针包围临界点(-1，j0)p圈，为开环传递函数位于右半s一平面的极点数。在MATLAB中，可利用函数nyquist和dnyquist绘出连续和离散系统的乃氏曲线。3．Nicho1s(尼柯尔斯)图根据闭环频率特性的幅值和相位可作出Nichols图，从而可直接得到闭环系统的频率特性。在MATLAB中，可利用函数nichols和dnichols绘出连续和离散系统的Nichols图。实验内容：1．一系统开环传递函数为绘制系统的bode图，判断闭环系统的稳定性，并画出闭环系统的单位冲击响应。其结构如下图R(s)R(s)C(s)10G(S)试绘制Nyquist频率曲线和Nichols图，并判断稳定性。实验要求：1．编制MATLAB程序，画出实验所要求的Bode图、Nyquist图、Nichols图。1〕一系统开环传递函数为①Bode图den=conv([1,1],conv([1,5],[1,-2]));H=tf(50,den);bode(H)②系统稳定性判别：系统为非稳定系统③闭环系统的单位冲击响应den=conv([1,1],conv([1,5],[1,-2]));H=tf(50,den);num1=H;den1=1+H;impulse(num1,den1)2〕一多环系统其结构如下图R(s)R(s)C(s)10G(S)①Nyquist频率曲线num=conv([16.7],[1,0]);den=conv([0.85,1],conv([0.25,1],[0.0625,1]));g=tf(num,den);num1=10*g;den1=1+g;G=tf(num1,den1);nyquist(G)②Nichols图num=conv([16.7],[1,0]);den=conv([0.85,1],conv([0.25,1],[0.0625,1]));g=tf(num,den);num1=10*g;den1=1+g;G=tf(num1,den1);nichols(G)③判断系统稳定性：系统是稳定系统2．在Simulink仿真环境中，组成系统的仿真框图，观察单位阶跃响应曲线并记录之。1〕一系统开环传递函数为2〕一多环系统其结构如下图R(s)R(s)C(s)10G(S)实验十一控制系统的根轨迹分析实验目的：掌握用计算机辅助分析法分析控制系统的根轨迹熟练掌握Simulink仿真环境。实验原理与方法：根轨迹是指，当开环系统某一参数〔一般来说，这一参数选作开环系统的增益k〕从零变到无穷大时，死循环系统特征方程的根在s平面上的轨迹。因此，从根轨迹，可分析系统的稳定性、稳态性能、动态性能。同时，对于设计系统可通过修改设计参数，使闭环系统具有期望的零极点分布，因此根轨迹对系统设计也具有指导意义。在MATLAB中，绘制根轨迹有关的函数有：rlocus，rlocfind，pzmap等。实验内容：一开环系统传递函数为绘制出此闭环系统的根轨迹，并分析系统的稳定性。四、实验要求：1．编制MATLAB程序，画出实验所要求根轨迹,求出系统的临界开环增益，并用闭环系统的冲击响应证明之。开环系统传递