控制系统仿真实验110Word格式.docx
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（3）查看工作空间窗口：
在工作空间中使用who，whos，clear命令，观察运行结果。
5、熟悉MATLAB环境。
（1）MATLAB命令窗口：
菜单命令各项的作用；
工具栏各项功能，要求熟练使用工具栏按钮；
熟练使用命令编辑区中命令窗口快捷键的功能。
（2）了解MATLAB的程序编辑器。
（3）熟悉MATLAB的work子目录。
（4）MATLAB运行外部环境：
进入DOS操作系统。
6、标点符号可以使命令行不显示运算结果，用来表示该行为注释行。
二、课外练习
1、MATLAB强大的绘图功能
（1）采用插值方式绘制海底形状图。
具体程序如下：
xi=linspace（-5,5,50）;
yi=linspace（-5,5,50）
[XI,YI]=meshgrid（xi,yi）;
ZI=interp2（x,y,z,XI,YI,’*cubic’）;
Surf（XI,YI,ZI）,view（-25,25）
（2）绘制草帽图
[x,y]=meshgrid（-8:
0.5:
8）;
r=sqrt（x.^2+y.^2）+eps;
z=sin（r）./r;
surf（x,y,z）
shadinginterp
axisoff
（3）绘制圆球球体
sphere（100）;
axisequal;
shadingflat;
camlightright;
camlightleft;
lightingphong
2、MATLAB程序流程控制
（1）在M文件编辑器中输入以下程序，并观察运行结果。
clc%清屏幕
a=[13479];
%建立a矩阵
b=[246810];
%建立b矩阵
c=a;
%矩阵a与矩阵b交换，设中间变量
b=c;
a%输出a矩阵、b矩阵
b
实验2、3：
MATLAB数值运算基础
1、熟悉MATLAB算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、特殊运算符。
2、熟悉MATLAB特殊的变量和常量。
3、x=[3*pi4*pi5*pi6*pi7*pi]
分别指明以下标识所代表的含义写出运算结果，并输入计算机加以验证：
x
（2）x（2:
4）x（3:
end）x（3：
-1：
1）
x
（2）=5x（find（x＞15））
4、分别指明以下标识所代表的含义并求出下列的运算结果并上机验证：
A=[1234;
5678;
9101112]
A（2，3）A（3，:
）A（:
，2）A（:
）A（8）
5、
（1）数组的输入
在MATLAB命令窗口输入下列矩阵
102030
A=405060
708090
（2）已知A=[1020;
3040]
计算：
A1=A+10A2=A+20A3=A+30G=[AA1;
A2A3]
6、S=2
A=[234;
567;
8910]
（1）A+SA-SS-A
（2）S.*AA.*SS*AA*S
（3）S./AA.\SA./SS.\A
并由计算结果得出什么结论。
7、a=[123;
456;
789]
b=[111;
222;
333]
c=3
求：
（1）a.*b b.*a a*b b*a
（2）a./bb.\ab./aa.\b
（3）a.^cb.^cc.^ac.^ba.^bb.^a
8、a=[321;
654;
987];
b=[112;
221;
313];
求：
a\binv（a）*ba/ba*inv（b）
9、熟悉MATLAB的基本数组函数、矩阵函数。
10、运行以下函数，写出操作结果
（1）zeros（4,4），ones（3,2）
（2）已知x=magic（5）
diag（x）、triu（x）、tril（x）、size（x）、eye（x）。
11、数组函数、矩阵函数运算
（1）求复数矩阵的模与相角：
a=[1+2i3-4i;
5+6i7-8i]
（2）求复数的实数与虚部：
a=[32+7i]
（3）求复数矩阵加法、开方、乘方、乘法运算：
c=[1+2i3+4i;
5+6i7+8i]，d=[1-i2-2i;
3-3i4-4i]
c+d,sqrt（c）,d^2,c*d
（4）求复数矩阵的模、共轭复数矩阵，以e为底的指数函数:
a=[1+2i3-4i;
5+6i7-8i]。
12、复数变量a=2+3i，b=3-4i，计算a+b，a-b，c=a*b，a/b，并计算变量c的实部，虚部，模和相角。
13、熟练掌握多项式输入、求根、由根求多项式、多项式部分分式展开。
14、
（1）计算多项式P（x）=s3+21s2+20s的根以及由多项式的根得出系数。
（2）求多项式P（x）=s8+2s7+3s6+4s5+5s4+6s3+7s2+8s+9的根，并用求出的根求多项式。
（3）已知传函：
S+3
（1）G（S）=--------------------------------
S4+2S3+11S2+18S+18
2S3+5S2+3S+6
（2）G（S）=------------------------------
S3+6S2+11S+6
将其分解为部分分式。
（4）已知表达式G（S）=（S-4）（S+5）（S2-6S+9），展开多项式形式，并计算出G（S）=0的根。
15、两个多项式a（x）=5x4+4x3+3x2+2x+1，b（x）=3x2+1。
计算c（x）=a（x）*b（x），并计算c（x）的根，将b（x）/a（x）进行部分分式展开。
1、输入矩阵A为3X3的魔方阵，B为3X3的单位阵，由小矩阵组成3X6的大矩阵C和6X3的大矩阵D，将D矩阵的最后一行构成小矩阵E。
具体程序：
a=magic（3）;
b=eye（3）
c=[a,b]
d=[a;
b]
e=d（6,:
）
2、求解方程组
2x1-3x2+x3+2x4=8
x1+3x2+x4=6
x1-x2+x3+8x4=7
7x1+x2-2x3+2x4=5
a=[2–312;
1301;
1–118;
71–22];
b=[8;
6;
7;
5];
x=a\b
3、已知符号表达式f=x3+3x2-6x+5，转换为多项式系数，并将f中的x用5，a替代。
f=sym（‘x^3+3*x^2-6*x+5’）;
sym2poly（f）;
subs（f,’a’）;
subs（f,5）
实验4：
MATLAB仿真集成环境工具Simulink的界面与菜单
1、学会Simulink的启动方式。
2、熟悉Simulink界面各个部分的内容及其功能。
3、熟悉Simulink提供的11类基本模块库中最常用模块库的界面、模块英文名与图标信息。
4、重点掌握11类基本模块库中下列常用的一些标准功能模块名称、在Simulink中具体位置及其功能：
（1）Derivative、Integrator、State-Space、TransportFcn
Zero-pole、TransportDelay；
（2）Gain、Sum、Math-Function；
（3）Mux、Demux；
（4）Display、Out1、Scope、XYGraph；
（5）Clock、In1、PulseGenerator、Ramp、SineWave、Step、Ground；
（6）Subsystem。
5、熟悉Simulink模型窗口（Untitled）菜单项的功能；
熟练使用模型窗口工具栏按钮并熟悉各按钮功能。
1、创建一个由正弦输入信号、放大器、示波器构成的模型。
观察正弦信号幅值，频率和放大倍数变化时，示波器的输出变化。
2、创建一个由两个正弦输入信号、XYGraph模块构成的模型，观察当输入两个正弦信号相位差的变化时XYGraph模块输出波形的变化。
实验5：
用Simulink建立系统的模型
1、会使用打开“untitled”模型窗口的三种方法。
2、熟悉查找所需要的模块；
熟练掌握模块的拷贝、移动、删除、连接；
模块名称的修改；
模块内部参数的修改；
模块文件的保存和打开。
3、
试绘制上图直流单闭环调速系统的Simulink结构图模型，并完成以下实验内容：
输入信号分别换成斜坡信号、脉冲信号，点击示波器分别观察输出信号响应曲线。
要求：
1）所有模块名字体：
四号；
粗体；
2）“电势系数”：
隐藏；
3）“直流单闭环调速系统”：
隶书；
小一；
4）画好的图剪切到Word文本中。
5）用正确的名称存盘，并通过打开的方式检查存盘名称是否正确。
实验6：
Simulink窗口下自定义模块库与自定义子系统
1、定义模块库
（1）建立一个只有“Discrete”，“Function&
Tables”，“Nonliner”，“signals&
System”四类模块库组成的自定义模块库Library1。
（2）建立一个只有“Zero-pole”，“Transfer-Fcn”，“State-Space”，“Gain”，“Sum”，“Step”，“Scope”，“In1”，“Out1”9个基本模块构成的自定义模块库Library2。
2、定义子系统
用Simulink的两种方法（1.“Subsystem”2.“CreateSubsystem”）将直流调速系统的电流环自定义为一子系统（虚线框住的定义子系统）并对其进行单位阶跃响应进行仿真，完成以下实验内容：
（1）用同一个示波器在同一坐标系下同时观察单位阶跃输入、输出信号曲线。
（2）用同一个示波器在两个坐标系下同时观察单位阶跃输入、输出信号曲线。
（3）运用绘图命令plot（tout,yout）在MATLAB命令窗口绘制图形。
实验7：
控制系统的数学模型
1、三种数学模型在MATLAB里的建立
在MATLAB环境中输入下列系统的模型：
S3+4S2+3S+2
（1）G（S）=-----------------------------
S5+9S4+24S3+16S2
-0.30.1–0.052
（2）X（t）=10.10x（t）+0u（t）,y（t）=[123]x（t）
-1.5-8.9-0.054
（S-5）（S-4）
（3）G（S）=--------------------------
S（S+1）（S+3）
（5S2+0.96S+9.6）
（4）G（S）=-------------------------------------
S（S+1）2（S2+0.384S+2.56）
9.9e-80S
（5）G（S）=-----------------------
120S+1
2、模型间的相互转化
6.8（S+3）（S+7）
给定系统的零极点模型为：
G（S）=----------------------------------
S（S+1.8+j1.63）（S+1）2
用MATLAB语句转化成等效的：
（1）传递函数模型
（2）状态空间模型。
3、环节方框图模型的化简
已知晶闸管—直流电机单闭环调速系统（V-M系统）的Simulink动态结构图如下图所示。
求按负反馈连接闭环系统的传递函数（在MATLAB命令窗口下编写程序求出）。
1、控制系统的结构图如下所示，试建立控制系统的仿真模型，观察系统在阶跃信号作用下的输出响应。
给控制系统加上校正装置，如下图所示。
观察校正后系统在阶跃信号作用下的输出响应。
2、设计一个PID控制器，实现对G（S）=10/S2+S+10系统构成单位负反馈的控制，当输入阶跃和正弦信号时，观察通过PID参数变化对系统控制效果的影响。
3、用Simulink仿真一个正弦信号和一个余弦信号相加，即计算x（t）=2sin（2t）+3cos（5t）。
实验8：
控制系统时域分析的MATLAB实现
80
1、已知单位负反馈系统前向通道的传函为：
G（S）=----------------
S2+2S
试用MATLAB命令编写程序做出其单位阶跃响应曲线。
2、已知闭环系统的传递函数为：
1301（S+4.9）
G（S）=----------------------------------
（S2+5S+25）（S+5.1）（S+50）
试求系统的性能指标：
tr，tp，ts，σ%。
3、已知下列单位负反馈的开环传递函数，试对系统闭环判别其稳定性。
1
（1）G（S）=----------------------
S3+2S2+S+2
1
（2）G（S）=------------------------
S4+S3-3S2-S+2
4、已知单闭环系统Simulink动态结构图如下所示，试用
（1）指令方式
（2）窗口菜单方式，分别求时域响应仿真曲线。
5、二阶系统的动态性能分析
W2n
二阶系统的闭环传函的标准形式为Φ（S）=---------------------------,
S2+2ξWnS+W2n
分别取ξ=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0，Wn=6时,试绘制出系统的单位阶跃响应曲线。
6、分别用两种方法：
（1）MATLAB命令窗口编写程序
（2）Simulink模型窗口绘制动态结构图，对下面的具有延迟环节传递函数进行时域仿真。
1、如下图所示系统，请调节PID参数，使系统的输出状态达到最佳。
2、有一阶系统的传递函数为G（S）=K/（TS+1），试对T、K两个待定系数，分别取T=1，K=1；
T=2，K=1；
T=10，K=2；
作出系统的阶跃响应，分析T、K对系统的稳态值和过渡过程时间（5%和2%的误差）的影响。
实验9：
控制系统根轨迹的MATLAB实现
1、已知系统的开环传函如下:
（1）G（S）=---------------------------------
S（S2+2S+2）（S2+6S+13）
（S-5）（S+4）
（2）G（S）=----------------------------
S（S+1）（S+3）
1）绘制系统的零极点图并求出零极点；
2）绘制系统的根轨迹图。
k（S+1）
2、已知某系统开环传函为：
G（S）=-------------------
S2+S+10
（1）试绘制k：
0→∞系统的根轨迹曲线；
（2）当k=1时闭环系统的单位阶跃响应曲线。
k（5S2+0.96S+9.6）
3、已知系统开环传函为：
G（S）=-------------------------------------，
试绘制当k：
0→∞的闭环系统的根轨迹图，并判断使系统稳定时k的取值范围。
1、已知单位反馈系统的开环传递函数为G（S）H（S）=k（S+1）/S2（S+a）。
（1）准确记录根轨迹在a=10，9，8，3，1时的根轨迹曲线，分析a对系统稳定性的影响；
（2）确定不同情况下系统稳定的取值条件。
2、高性能的战斗机以0.9马赫的速度在10，000m高空飞行，其俯仰速度控制系统可用如下图表示，其中
G（S）=-18（S+0.015）（S+0.45）/（S2+1.2S+12）（S2+0.01S+0.0025）
（1）当控制器为比例环节，即GC（S）=K时，画出K变化时的根轨迹，并确定K的取值范围，使ωn>
2的系统闭环根的阻尼比ξ大于0.15，并找出ξ的最大值；
（2）采用上面的K值，画出系统对阶跃输入r（t）的响应y（t）；
（3）有设计者建议采用控制器GC（S）=K/（S+2），试画出这时系统以K为参数的根轨迹图，并确定K的取值范围，使所有闭环根的阻尼比均满足ξ>
0.8；
（4）采用上面所选取的K值，画出系统对阶跃输入r（t）的响应y（t）。
3、某类高性能喷气式飞机的自动驾驶仪系统具有单位负反馈，试画出系统的根轨迹图，预测系统的阶跃响应并与计算得到的实际响应相比较。
实验十：
控制系统频域分析的MATLAB实现
1、试绘制出下面系统的Nyquist图、Bode图。
10
（1）G（S）=--------------------
S2（5S-1）（S+5）
8（S+1）
（2）G（S）=---------------------------------
S2（S+15）（S2+6S+10）
2、试绘制出下面系统的Bode图，并求出系统的幅值裕度Gm、幅值穿越频率wcp、相角裕度Pm、剪切频率wcg。
4（S/3+1）
（1）G（S）=-----------------------------------------
S（0.02S+1）（0.05S+1）（0.1S+1）
0214
（2）X（t）=-3–20x（t）+3u（t）,y（t）=[123]x
1342
3、已知系统的开环传函为：
100（S+5）2
G（S）=--------------------------
（S+1）（S2-S+9）
（1）试绘制Nyquist图并由奈氏判据判断系统的稳定性；
（2）验证稳定性正确与否。
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