六个实战示例--自动控制理论--Simulink仿真.doc

自动控制理论仿真实验指导书自动控制理论仿真实验指导书目录实验一 典型环节的 MATLAB 仿真 2一、 实验目的 2二、 SIMULINK 的使用 2三、 实验原理 3四、 实验内容 5五、 实验报告 5六、 预习要求 5实验二 线性系统时域响应分析 6一、 实验目的 6二、 基础知识及 MATLAB函数 6三、 实验内容 12四、 实验报告 13五、 预习要求 13实验三线性系统的根轨迹 14一、 实验目的 14二、 基础知识及 MATLAB函数 14三、 实验内容 19四、 实验报告 19五、 预习要求 19实验四线性系统的频域分析 20一、 实验目的 20二、 基础知识及 MATLAB函数 20三、 实验内容 23四、 实验报告 24五、 预习要求 24实验五线性系统串联校正 25一、 实验目的 25二、 基础知识 25三、 实验内容 31四、 实验报告要求 32五、 预习要求 32实验六 数字PID控制 32一、 实验目的 32二、 实验原理 32三、 实验内容 35四、 实验报告 35五、 预习要求 35实验一典型环节的MATLAB仿真、实验目的1熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解 SIMULINK功能模块的使用方法。

2•通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应 曲线的理解3. 定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包 利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试1. 运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter 键或在工具栏单击祐按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下2. 选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板3. 在simulink仿真环境下，创建所需要的系统Eile tilt 強訓 Up-Simuli iOcConti 口屯叩竺BisereLmolHJp T&lilesHI 4thN Ver i f ica.ti^nBerivatiiviState_SpaceUtilitiesP or ts 劇 SubsystertE £】 即Kt tr ib-u-t«s Sj gp-al Rout irig： Siuk?Trmsp^rl Delray09Transfer Fcn：疋=V = Cxi-DidVAri-kbl^ Trarisport Ilo-l ay・ Aerospace Blocks el H CDM^ fleferfence BlocksetZero-Fol*图1-1 SIMULINK仿真界面以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下:图1-2 系统方框图1）进入线性系统模块库，构建传递函数。

点击simuli nk 下的“ Continuous”，再将右边窗口中“ Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“ untitled”窗口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 传递函数其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幕由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择 0K，即完成该模块的设置3） 建立其它传递函数模块按照上述方法，在不同的 simulink的模块库中，建立系统所需的传递函数模块例：比例环节用“ Math”右边窗口“ Gain”的图标4） 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5） 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6） 选择反馈形式为了形成闭环反馈系统，需选择“Math”模块库右边窗口 “Sum”图标，并用鼠标双击，将其设置为需要的反馈形式（改变正负号） 。

7） 连接各元件，用鼠标划线，构成闭环传递函数8） 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，即可看到响应曲线三、实验原理1比例环节的传递函数为G(s) — Z2Z1善「2 —00K"200K#自动控制理论仿真实验指导书#自动控制理论仿真实验指导书其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示Gain图1-3 比例环节的模拟电路及 SIMULINK图形2 •惯性环节的传递函数为R2,Z2 /R1G(s) 2 1Z1 R2C1 +10.2s 1R =100K, R2 =200KC =1uf其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示#自动控制理论仿真实验指导书3 .积分环节（I）的传递函数为#自动控制理论仿真实验指导书#自动控制理论仿真实验指导书Z21 _ 1RiC1s 0.1sR1 =100K,G =1uf#自动控制理论仿真实验指导书其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示图1-4惯性环节的模拟电路及 SIMULINK 图形C1R1U1 D/AI-II呃A/D1图1-5积分环节的模拟电路及及 SIMULINK图形#自动控制理论仿真实验指导书#自动控制理论仿真实验指导书4. 微分环节（D）的传递函数为C2 ： ： G = O.O1ufG(s)二-乙=-RGs 二-s R =100K,G =1Ouf乙其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。

C2Cl>—I卜RIStepDerivativeScope图1-6微分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形5. 比例+微分环节（PD的传递函数为G(s) —生一&(R1Gs 1) — (0.1s 1)乙 R1R =R2 =100K,C^10uf C2 ： ： G =0.01uf其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-7所示比例+积分环节（PI）的传递函数为#自动控制理论仿真实验指导书#自动控制理论仿真实验指导书R2 1CiSRi = R2 = 100K, G = 10ufRiG(s)1 > du/dtStepBinSccpeDerivative#自动控制理论仿真实验指导书图1-7比例+微分环节的模拟电路及 SIMULINK 图形其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-8所示Step Integrator图1-8比例+积分环节的模拟电路及 SIMULINK图形四、实验内容按下列各典型环节的传递函数，建立相应的 SIMULINK仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形=2 ；G2(s)'二 和比例环节G1(s)二1和G(s)二 G1 (s)-惯性环节积分环节G1 (s)10.5s 1④微分环节G1(s)二s⑤ 比例+微分环节(PD⑥ 比例+积分环节(PI)G(s) =s 2和 G2(s)二 s 1G1(s)^ 1s和亠⑸二1 \s五、实验报告1. 画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。

2. 记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响3. 写出实验的心得与体会六、预习要求1.熟悉各种控制器的原理和结构，画好将创建的 SIMULINK图形#自动控制理论仿真实验指导书step( nu m,de n)step( nu m,de n,t)[y，x]=step(num,den)返回变量y为输出向量，x为状态向量2. 预习MATLAB^ SIMULINK勺基本使用方法实验二 线性系统时域响应分析、实验目的1. 熟练掌握step（）函数和impulse（）函数的使用方法，研究线性系统在单位阶 跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应2. 通过响应曲线观测特征参量 和• 5对二阶系统性能的影响3. 熟练掌握系统的稳定性的判断方法基础知识及 MATLAB函数（一）基础知识时域分析法直接在时间域中对系统进行分析，可以提供系统时间响应的全部信息, 具有直观、准确的特点为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）本次实验从分析系统的性能指标出发，给出了在 MATLA环 境下获取系统时域响应和分析系统的动态性能和稳态性能的方法用MATLAB^系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分别以 s的降幕排列写为两个数组num den。

由于控制系统分子的阶次 m—般小于其分母的阶次 n,所以num中的数组元素与分子多项式系数之间自右向左逐次对齐，不足部分用零补 齐，缺项系数也用零补上1. 用MATLAB^控制系统的瞬态响应1）阶跃响应求系统阶跃响应的指令有:时间向量t的范围由软件自动设定，阶跃响应曲线随即绘出时间向量t的范围可以由人工给定（例如 t=0:0.1:10 ）在MATLA程序中，先定义num,den数组，并调用上述指令，即可生成单位阶跃输 入信号下的阶跃响应曲线图考虑下列系统:C(s) _ 252R(s) s 4s 25该系统可以表示为两个数组，每一个数组由相应的多项式系数组成，并且以 s的降幕排列贝U MATLAB的调用语句：nu m=[0 0 25];den=[1 4 25];step( nu m,de n)gridxlabel( ‘ t/S,yiabel(‘(t)'%定义分子多项式%定义分母多项式%调用阶跃响应函数求取单位阶跃响应曲线% 画网格标度线%给坐标轴加上说明title( Unit-step Respinse of G(s)=25/(sA2+4s+25)) %合图形加上标题名图2-1二阶系统的单位阶跃响应2卄十1…叶十寸十-……卜■…J・■■…j.…・・i ■■…>4……§!1-1L■ 1 1 Illi L - _ L _J 丄 -丄 __ L _j r r i y t r e■ i i i ■ ■ i ■01 2 学 $ $ 7US )Q 10图2-2定义时间范围的单位阶跃响应则该单位阶跃响应曲线如图2-1所示:#自动控制理论仿真实验指导书为了在图形屏幕上书写文本，可以用text命令在图上的任何位置加标注。

例如： text(3.4,-0.06, ' Y1')和 text(3.4,1.。