自动控制matlab实验

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自动控制系统实验Matlab地应用

实验一基于MATLAB实验平台的系统被控对象的建立与转换

1．自确定2个传递函数，实现传递函数的录入和求取串联、并联、反馈连接时等效的整体传递函数。要求分别采用有理多项式模型和零极点增益模型两种传递函数形式。

>> n1=[1,2];d1=[1,2,1];n2=[2,3];d2=[1,4,4];

>> [z,p,k]=tf2zp(n1,d1)

z =

-2

p =

-1

k =

>> G1=zpk(z,p,k)

Zero/pole/gain:

(s+2)

-------

(s+1)^2

>> [z,p,k]=tf2zp(n2,d2)

z =

-1.5000

p =

-2

k =

>> G2=zpk(z,p,k)

Zero/pole/gain:

2 (s+1.5)

---------

(s+2)^2

>> Gs=G1*G2

Zero/pole/gain:

2 (s+2) (s+1.5)

---------------

(s+1)^2 (s+2)^2

>> Gs=series(G1,G2)

Zero/pole/gain:

2 (s+1.5) (s+2)

---------------

(s+2)^2 (s+1)^2

>> Gp=G1+G2

Zero/pole/gain:

3 (s+1.594) (s^2 + 2.739s + 2.3) ---------------------------------

(s+1)^2 (s+2)^2

>> Gp=parallel(G1,G2)

Zero/pole/gain:

3 (s+1.594) (s^2 + 2.739s + 2.3) ---------------------------------

自动控制原理MATLAB仿真实验报告

实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析）

一、实验目的

学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性；二、预习要点

1、系统的典型响应有哪些

2、如何判断系统稳定性

3、系统的动态性能指标有哪些三、实验方法

（一）四种典型响应

1、阶跃响应：

阶跃响应常用格式：

1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。

2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。

3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。

4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。

2、脉冲响应：

脉冲函数在数学上的精确定义：0

,0)(1)(0

〉==⎰∞

t x f dx x f

其拉氏变换为：

)

()()()(1

)(s G s f s G s Y s f ===

所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。

脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ②

);

,();

,(T sys impulse Tn sys impulse

③ ),(T sys impulse Y =

（二）分析系统稳定性有以下三种方法：

1、利用pzmap 绘制连续系统的零极点图；

2、利用tf2zp 求出系统零极点；

3、利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点（三）系统的动态特性分析

Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.

《自动控制原理》MATLAB中的传递函数模型实验

一、实验目的

1、熟练运用matlab软件，求解控制系统数学模型

2、掌握传递函数在matlab中的表达方法

3、掌握matlab求解拉氏变换和反变换

4、掌握matlab求系统极值点和零点判断系统稳定性

二、实验仪器

Matlab2014b版

三、实验原理

（一）MATLAB中的传递函数模型

传递函数在matlab中的表达方法

控制系统的传递函数模型为：

在MATLAB中，分子/分母多项式通过其系数行向量表示，即：

num = [b0 b1 … bm]

den = [a0 a1 … an]

此时，系统的传递函数模型用tf函数生成，句法为：sys=tf(num, den) 其中，sys为系统传递函数。

如：num = [1 5 0 2]; den = [2 3 15 8];

则：sys=tf(num, den)输出为：

Transfer function:

若控制系统的模型形式为零极点增益形式：

此时，系统的传递函数模型用zpk函数生成，句法为：sys=zpk(z, p, k)。

zpk函数也可用于将传递函数模型转换为零极点增益形式，句法为：zpksys=zpk(sys)

如：z=[-0.5 -1 -3]; p=[1 -2 -1.5 -5]; k=10;

sys=zpk(z, p, k)

传递函数的转换

[num,den]=zp2tf(z,p,k)

[z,p,k]=tf2zp(num,den)

实际系统往往由多个环节通过串联、并联及反馈方式互连构成。MATLAB提供的三个用于计算串联、并联及反馈连接形成的新系统模型的函数。

自控MATLAB实验一

《自动控制原理》课程实验报告

实验名称初步认识MATLAB和系统仿真专业班级过程自动化03班

学号2011500169

姓名鲁雅洁

指导教师李离

学院名称电气信息学院

2013 年10 月22 日

实验一初步认识MATLAB和控制系统仿真一、实验目的

（1）了解并掌握MATLAB仿真软件的使用方法;

（2）掌握控制系统数学模型的多种描述方法及其仿真实现和互相转换; （3）熟悉控制系统仿真常用的MATLAB函数。

二、实验设备

（1）硬件：个人计算机；

（2）软件：MATLAB仿真软件（版本6.5或以上）。

三、实验内容和步骤

1.质量—弹簧—阻尼器系统的零输入响应

修改并运行程序lab1_1.m以求取下列情形的零输入响应曲线并存盘：

Lab1_1_1.m

程序：

y0=0.15;

wn=sqrt(2);

zeta=1/(2*sqrt(2));

t=[0:0.1:10];

c=(y0/sqrt(1-zeta^2));

y=c*exp(-zeta*wn*t).*sin(wn*sqrt(1-zeta^2)*t+acos(zeta));

bu=c*exp(-zeta*wn*t);bl=-bu;

plot(t,y,t,bu,'k--',t,bl,'k--'),grid

xlabel('Time (sec)'),ylabel('y(t) (meters)')

legend(['\omega_n=',num2str(wn),' \zeta=',num2str(zeta)]) 仿真结果：

(1)零输入响应曲线

Lab1_1_2.m

程序：

y0=0.15;

wn=sqrt(2);

自动控制原理实验

实验一控制系统的数学模型

一、实验目的

1. 熟悉Matlab 的实验环境，掌握Matlab 建立系统数学模型的方法。

2. 学习构成典型环节的模拟电路并掌握典型环节的软件仿真方法。

3. 学习由阶跃响应计算典型环节的传递函数。二、实验内容

1. 已知图1.1中()G s 和()H s 两方框相对应的微分方程分别是：

()

10()20()()205()10()

dc t c t e t dt

db t b t c t dt

+=+=

且满足零初始条件，用Matlab 求传递函数

()()C s R s 和()

()

E s R s 。

图1.1 系统结构图

2. 构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例-积分环节、比例-微分环节和比例-积分-微分环节的模拟电路并用Matlab 仿真；

3. 求以上各个环节的单位阶跃响应。三、实验原理

1. 构成比例环节的模拟电路如图1.2所示，该电路的传递函数为：

().R G s R =-

图1.2 比例环节的模拟电路原理图

2. 构成惯性环节的模拟电路如图1.3所示，该电路的传递函数为：

221

(),,.1R K

G s K T R C Ts R =-

==+

图1.2 惯性环节的模拟电路原理图

3. 构成积分环节的模拟电路如图1.3所示，该电路的传递函数为：

(),.G s T RC Ts

图1.3 积分环节的模拟电路原理图

4. 构成比例-积分环节的模拟电路如图1.4所示，该电路的传递函数为：

2211()1,,.R G s K K T R C Ts R ⎛

⎫=-+== ⎪⎝⎭

自动控制原理MATLAB仿真实验报告

实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析）

一、实验目的

学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性；二、预习要点

1、系统的典型响应有哪些？

2、如何判断系统稳定性？

3、系统的动态性能指标有哪些？三、实验方法（一）四种典型响应

1、阶跃响应：

阶跃响应常用格式：

1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。

2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。

3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。

4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、脉冲响应：

脉冲函数在数学上的精确定义：0

,0)(1)(0

〉==⎰∞

t x f dx x f

其拉氏变换为：

)

()()()(1

)(s G s f s G s Y s f ===

所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。

脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ②

);

,();,(T sys impulse Tn sys impulse

③ ),(T sys impulse Y =

（二）分析系统稳定性有以下三种方法：

1、利用pzmap 绘制连续系统的零极点图；

2、利用tf2zp 求出系统零极点；

3、利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点（三）系统的动态特性分析

Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.

自动控制原理MATLAB仿真实验报告

实验一典型环节的MATLAB 仿真一、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。

二、实验内容

① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ；

Simulink 图形实现：

示波器显示结果：

② 惯性环节

11)(1+=

s s G 和15.01

)(2+=

s s G

Simulink 图形实现：

示波器显示结果：

③ 积分环节s s G 1

)(1

Simulink 图形实现：

示波器显示结果：

④ 微分环节s s G )(1

Simulink 图形实现：

波器显示结果：

⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G

1）、G1（s ）=s+2

Simulink 图形实现：

示波器显示结果：

2）、G2（s）=s+1 Simulink图形实现：

示波器显示结果：

⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 1

1)(1+=和s s G 21

1)(2+=

1）、G1（1）=1+1/s

Simulink 图形实现：

示波器显示结果：

2）G2（s）=1+1/2s Simulink图形实现：

示波器显示结果：

三、心得体会

通过这次实验我学到了很多，对课本内容加深了理解，熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法，加深对各典型环节响应曲线的理解，这为对课程的学习打下了一定基础。

实验二线性系统时域响应分析

自动控制原理MATLAB实验报告

实验一典型环节的MATLAB仿真

一、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。

二、实验原理

1．比例环节的传递函数为

G200

100

)

(

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1所示。

2．惯性环节的传递函数为

200

100

2.0

)

(

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图2所示。

图1 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形

图2惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形

3．积分环节(I)的传递函数为

100

1.0

)

(

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图3所示。

4．微分环节(D)的传递函数为

G10

100

)

(

=uf

C01

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图4所示。

5．比例+微分环节（PD）的传递函数为

1.0(

(

)

(

R01

100

其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图5所示。

图3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形

Matlab仿真实验-自动控制原理

实验一典型环节的MATLAB 仿真

一、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。二、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。

以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：

图1-1 SIMULINK 仿真界面图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simulink 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、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK ，即完成该模块的设置。

自动控制原理实验报告MATHLAB建模.doc

自动控制原理实验报告

学院：机电工程学院

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

实验一：在MATLAB中创建系统模型

一、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。

二、实验过程：

1.传递函数模型的建立

1）多项式形式的传递函数

①课本例2.23上机操作过程如下：

②课本P62，习题2-3上机操作过程如下：

2）零、极点形式的传递函数

课本例2.24上机操作过程如下：

3）分子、分母为因式乘积形式的传递函数课本例2.25上机操作过程如下：

2.Simulink 建模

①课本例题上机操作如下：

设单位反馈系统的开环传递函数为：

)1(1)(+=

s s s G

将其转换成Simulink 框图，输入为阶跃信号，它的Simulink 框图如下所示：

② 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G 的SIMULINK 图形建模操作如下；

比例环节1)(1=s G 的SIMULINK 图形如下图所示：

比例环节2)(1=s G 的SIMULINK 图形

3.课后练习

用matlab求下列函数的拉氏变换（习题2-1），上机操作过程如图所示：

实验二：在MATLAB中算特征根及绘制根轨迹图

一、实验目的：

1．掌握MATLAB下的根轨迹绘制方法；

2．学会利用根轨迹进行系统分析。

二、实验过程：

1）例3-21 试利用MATLAB函数求例3.1中k=2.k=20时系统的特征根，并分别判定稳定性。

上机操作过程如下：

>> num=[2];

《自动控制原理》控制系统的simulink仿真实验

一、实验目的

(1)初步了解Matlab中Simulink的使用方法，熟悉simulink模块的操作和信号线的连接

(2)通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。

(3)定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验仪器

装配Matlab7.0的计算机

三、实验原理

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具。Simulink是一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。

四、实验内容及步骤

1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击工具栏上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库，然后点击左上角“新文件”图标，打开模型编辑窗口。

1.2 调出模块

在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。

从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器

(band-limited white noise) ；

从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(gain)和1个加法器(sum) ；

从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环节(Derivative)和3个传函环节(transfer Fcn)；

从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(mux)；

自动控制原理matlab实验指导书

实验一系统的数学模型（实验代码1） (2)

实验二控制系统的时域分析（实验代码2） (6)

实验三控制系统的频域分析（实验代码3） (9)

实验四简单闭环控制系统的控制器的设计（实验代码4） (11)

注释 (13)

主要参考文献 (13)

实验一系统的数学模型（实验代码1）

一、实验目的和任务

1、学会使用MATLAB 的命令；

2、掌握MATLAB 有关传递函数求取及其零、极点计算的函数。

3、掌握用MATLAB 求取系统的数学模型

二、实验仪器、设备及材料

1、计算机

2、 MATLAB 软件

三、实验原理

1、 MATLAB 软件的使用

2、使用MATLAB 软件在计算机上求取系统的传递函数四、实验步骤

准备知识：

1、求串联环节的传递函数：

串联后的传递函数为：den

num

s X s Y s G =

)()()( MATLAB 计算公式：[num,den]=series(num1,den1,num2,den2) 2、求并联环节的传递函数：

并联后的传递函数为：

den num

s X s Y s G =

)()()(

MATLAB 计算公式：[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)

3、求单位反馈控制系统的传递函数：

闭环传递传递函数为：den

num

s G s G s G s G s X s Y s G c C B =

)()(1)()()()()( MATLAB 计算公式：[num,den]=cloop(num1,den1,sign) Sign 参数：正反馈用＋1，负反馈用－1。缺省情况为负反馈。

自动控制原理实验1-6

⾃动控制原理实验1-6

实验⼀MATLAB 仿真基础

⼀、实验⽬的：

（1）熟悉MATLAB 实验环境，掌握MATLAB 命令窗⼝的基本操作。（2）掌握MATLAB 建⽴控制系统数学模型的命令及模型相互转换的⽅法。（3）掌握使⽤MATLAB 命令化简模型基本连接的⽅法。

（4）学会使⽤Simulink 模型结构图化简复杂控制系统模型的⽅法。⼆、实验设备和仪器 1．计算机；2. MATLAB 软件三、实验原理

函数tf ( ) 来建⽴控制系统的传递函数模型，⽤函数printsys ( ) 来输出控制系统的函数，⽤函数命令zpk ( ) 来建⽴系统的零极点增益模型，其函数调⽤格式为：sys = zpk ( z, p, k )零极点模型转换为多项式模型[num , den] = zp2tf ( z, p, k ) 多项式模型转化为零极点模型 [z , p , k] = tf2zp ( num, den )

两个环节反馈连接后，其等效传递函数可⽤feedback ( ) 函数求得。则feedback （）函数调⽤格式为： sys = feedback

（sys1, sys2, sign ）其中sign 是反馈极性，sign 缺省时，默认为负反馈，sign ＝-1；正反馈时，sign ＝1；单位反馈

时，sys2＝1，且不能省略。四、实验内容：

1.已知系统传递函数，建⽴传递函数模型

2.已知系统传递函数，建⽴零极点增益模型

3．将多项式模型转化为零极点模型

2s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(332

自控实验-自动控制系统的MATLAB仿真分析

实验名称：自动控制系统的MATLAB仿真分析

一、实验目的

1.熟悉MATLAB在自动控制系统仿真中的应用；

2.对自动控制系统进行仿真研究；

3.掌握用MATLAB绘制自动控制系统根轨迹及对数频率特性的方法，掌握根据系统根轨迹及对数频率特性分析自动控制系统性能的方法。

二、实验设备

1.计算机

2.MATLAB软件

三、实验内容

1.用MATLAB提供的Simulink仿真软件工具对实验一中的各个典型环节及二阶系统进行阶跃响应仿真研究，将仿真获得的阶跃响应结果与模拟电路获得的阶跃响应结果进行比较。（1）比例环节

传递函数为

200 ()

51 G s=

建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：

（2）积分环节

传递函数为

9.8 ()

G s

建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：

（3）一阶惯性环节

传递函数为

3.9 ()

0.21

G s

建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：

（4）比例积分环节

传递函数为

0.39781 ()

0.102

G s

建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：

（5）比例微分环节

传递函数为

10 ()2

s G s

建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：

（6）比例微分积分环节

传递函数为

51050 ()2

G s

s s

=++

建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：

（7）二阶系统的阶跃响应 ①0.325K ξ==

传递函数为

2()250

()10250

C s R s s s =++ 建立的仿真模型与阶跃响应仿真波形如下图所示：

②0.510K ξ==

传递函数为

2()100

()10100

自动化MATLAB实验

实验一典型环节的MATLAB 仿真

一、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。

二、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。

以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：

1）进入线性系统模块库，构建传递函数。点击simulink 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。

图1-1 SIMULINK 仿真界面图1-2 系统方框图

自控原理实验报告1

自动控制原理实验

——第一次实验

姓名：乔佳楠

班级：06110901

学号：20091419

一、实验目的

了解MATLAB在自动控制原理课程中的应用，学习MATLAB的基本使用方法。通过上机实验操作学习线性系统的分析与设计，学习传递函数的描述方法，自控系统结构框图的模型表示以及线性系统的时域分析。其中本节重点掌握结构框图中的串联，并联和反馈结构的模型表示方法，并能正确分析不同结构模型之间的关系。

二、实验要求

运用MATLAB软件解决下列三个问题，并绘制出每个函数的单位阶跃响应图像，标出其上升时间，过渡过程时间，计算出超调量。

三、实验内容

1．给出下列两个函数，分别求出在串联，并联和反馈结构中的系统传递函数，并画出阶跃响应曲线，标出上升时间，过渡过程时间以及超调量。

①G1=tf(10,[1,2,3]) ②G2=tf(1,[1,2])

Step1:串联结构，即G=G1*G2

>> G1=tf(10,[1,2,3]);

>> G2=tf(1,[1,2]);

>> G=series(G1,G2)

Transfer function:

---------------------

s^3 + 4 s^2 + 7 s + 6

>> step(G)

起调量：（1.77-1.66）/1.66*100%=6.63% 上升时间： 2.97 sec

过渡过程时间：5.89 sec

Step2:并联结构，即G=G1+G2

>> G1=tf(10,[1,2,3]);

>> G2=tf(1,[1,2]);