自动化专业课程设计——MATLAB控制系统仿真课件

控制系统仿真课件：MATLAB基础及其使用初步

MATLAB基础及其使用初步
(5)方阵的相关计算: 求逆：inv(A) 求行列式：det(A) 求特征值和特征向量：［V,D］=eig(A)
MATLAB基础及其使用初步 2.程序流程控制 MATLAB 1）for for
end 2）while
5
(1)直接输入:矩阵生成不但可以使用纯数字（含复数），
也可以使用变量（或者说采用一个表达式）。矩阵的元素直
接排列在方括号内，行与行之间用分号隔开，每行内的元素
使用空格或逗号隔开。大的矩阵可以分行输入，回车键代表
分号。
1 2 3 A 4 5 6
7 8 9
A = [1 2 3 ；4 5 6 ；7 8 9]
MATLAB基础及其使用初步
2.1.2 MATLAB的主要特点 MATLAB的主要功能是用于矩阵运算，它具有丰富的
矩阵运算函数，能够在求解诸如各种复杂的计算问题时更简捷、高效、方便。同时，MATLAB作为编程语言和可视化工具，由于功能强大，界面直观，语言自然，使用方便，可解决工程、科学计算和数学学科中的许多问题，是目前高等院校与科研院所广泛使用的优秀应用软件，目前已经在信号处理、系统识别、自动控制、非线性系统、模糊控制、优化技术、神经网络、小波分析等领域得到了广泛的应用。 MATLAB之所以能得到广泛的应用，是因为它具有如下的特点：
MATLAB基础及其使用初步
(3)判断矩阵的大小: ［m,n］=size(A)：返回矩阵的行列数m与n length(A)=max(size(A))：返回行数或列数的最大值。 (4) +（加），-（减），*（乘），＼（矩阵左除），/（矩阵右除），.*（矩阵点乘），.＼（矩阵点左除），./（矩阵点右除)，.∧ 只有维数相同的矩阵才能进行加减运算，只有方阵才可以求幂，点运算是两个维数相同矩阵对应元素之间的运算，只有当两个矩阵中前一个矩阵的列数和后一个矩阵的行数相

matlab控制系统仿真课件

6.1 SIMULINK概述
如果控制系统的结构很复杂，若不借助专用的控制系统建模软件，在过去很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入给计算机，然后对之进行进一步的分析与仿真。1990年MathWorks软件公司为 MATLAB提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并定名为SIMULAB，该工具很快在控制界就有了广泛的应用，但因其名字与著名的 SIMULA软件类似，所以1992年以来正式改名为 SIMULINK。
包括Description属性、 Priority优先级属性、 Tag属性、Open function属性、 Attributes format string 属性。
其中Open function 属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。
该名字的含义是相当直观的，因为它较明显地表明此软件的两个显著功能：SIMU（仿真）与 LINK（连接）。即可以利用鼠标在模型窗口上“画”
出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真。
特点：
1. SIMULINK为用户提供了很方便的图形化功能模块，以便连接成一个模拟系统，简化设计的流程，减轻设计负担。
示例二：
程序名：mex3_5_f1.mdl
示例三：
程序名：mex3_5_f2.mdl
6.3 功能模块的处理
1．移动
将光标置于待移动的模块图标上,然后按住鼠标左键将模块拖到合适的地方即可。模块移动时,它与其它模块的连线也随之移动。
2．选定
选定一个环节, 单击待选模块, 模块四个角便出现小黑块, 表示模块被选定。

控制系统Simulink仿真PPT课件(MATLAB学习资料)

其频率特性为：
积分环节的幅值与成反比，相角恒为-
时，幅相特性从虚轴
处出发，
沿负虚轴逐渐趋于坐标原点，程序如下：
g=tf([0,1],[1,0]); nichols(g); grid on
运行程序输出如图6-14曲线②所示。
。当
在Simulink中积分环节的使用如如图6-15所示。运行仿真输出图形如图6-10所示。
• 频域法是基于频率特性或频率响应对系统进行分析和设计的一种图解方法，故又称为频率响应法，频率法的优点较多，具体如下：
• 首先，只要求出系统的开环频率特性，就可以判断闭环系统是否稳定。 • 其次，由系统的频率特性所确定的频域指标与系统的时域指标之间存
在着一定的对应关系，而系统的频率特性又很容易和它的结构、参数联系起来。因而可以根据频率特性曲线的形状去选择系统的结构和参数，使之满足时域指标的要求。 • 此外，频率特性不但可由微分方程或传递函数求得，而且还可以用实验方法求得。这对于某些难以用机理分析方法建立微分方程或传递函数的元件(或系统)来说，具有重要的意义。因此，频率法得到了广泛的应用，它也是经典控制理论中的重点内容。
• 2）由于对数可将乘除运算变成加减运算。当绘制由多个环节串联而成的系统的对数坐标图时，只要将各环节对数坐标图的纵坐标相加、减即可，从而简化了画图的过程。
• 3）在对数坐标图上，所有典型环节的对数幅频特性乃至系统的对数幅频特性均可用分段直线近似表示。这种近似具有相当的精确度。若对分段直线进行修正，即可得到精确的特性曲线。
其频率特性为：
一阶复合微分环节幅相特性的实部为常数1，虚部与成正比，如图5-26曲线①所示。不稳定一阶复合微分环节的传递函数为：
其频率特性为：
一阶复合微分环节的奈奎斯特曲线图编程如下： clc,clear,close all g=tf([1,1],[0 1]);

《控制系统MATLAB仿真》实验讲义(11级)

《自动控制原理实验》目录第一部分实验箱的使用第二部分经典控制实验第一章基本实验实验一典型环节及其阶跃响应实验二二阶系统阶跃响应实验三控制系统的稳定性分析实验四控制系统的频率特性实验五连续控制系统的串联校正实验六数字PID控制实验第二章综合实验第三部现代控制理论实验第一章基本实验第二章综合实验实验一典型环节及其阶跃响应预习要求：1、复习运算放大器的工作原理；了解采用A μ741运算放大器构成各种运算电路的方法；2、了解比例控制、微分控制、积分控制的物理意义。

一、实验目的1、学习自动控制系统典型环节的电模拟方法，了解电路参数对环节特性的影响。

2、学习典型环节阶跃响应的测量方法；3、学会根据阶跃响应曲线计算确定典型环节的传递函数。

二、实验内容1、比例环节电路模拟：图1-1传递函数： 2211()()()U s RG s U s R ==-2、惯性环节电路模拟：图1-2传递函数： 22112()/()()11U s R R KG s U s Ts R Cs ==-=-++3、积分环节电路模拟：A/D1D/A1A/D1图1-3传递函数： 21()11()()U s G s U s Ts RCs==-=-4、微分环节电路模拟：图1-4传递函数： 211()()()U s G s s RC s U s τ==-=-5、比例微分电路模拟：图1-5传递函数： 222111()()(1)(1)()U s RG s K s R C s U s R τ==-+=-+6、比例积分电路模拟：图1-6A/D12RD/A1A/D1A/D1A/D1C传递函数： 22112()11()(1)(1)()U s R G s K U s Ts R R Cs==-+=-+三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接1）用串行口线将计算机串行口与实验箱相联。

2）双击在桌面上的“自动控制实验系统”图标，运行自动控制实验系统软件。

3）下拉“串口测试”窗口，单击“串口测试”，如果测试窗口出现数字码，表示计算机与实验箱已经连接好，可以继续下面的实验。

自动控制原理实验讲义--MATLAB仿真

控制系统的模拟试验和MATLAB 仿真1 MATLAB 简介MATLAB 是Mathworks 公司开发的一种集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的功能强大、操作简单的优秀工程计算使用软件。

MATLAB 不仅可以处理代数问题和数值分析问题，而且还具有强大的图形处理及仿真模拟等功能。

从而能够很好的帮助工程师及科学家解决实际的技术问题。

MATLAB 的含义是矩阵实验室（Matrix Laboratory ），最初主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无需定义维数的矩阵。

经过十几年的扩充和完善，现已发展成为包含大量实用工具箱（Toolbox ）的综合使用软件，不仅成为线性代数课程的标准工具，而且适合具有不同专业研究方向及工程使用需求的用户使用。

MATLAB 最重要的特点是易于扩展。

它允许用户自行建立完成指定功能的扩展MATLAB 函数（称为M 文件），从而构成适合于其它领域的工具箱，大大扩展了MATLAB 的使用范围。

目前，MATLAB 已成为国际控制界最流行的软件，控制界很多学者将自己擅长的CAD 方法用MATLAB 加以实现，出现了大量的MATLAB 配套工具箱，如控制系统工具箱（control systems toolbox ），系统识别工具箱（system identification toolbox ），鲁棒控制工具箱（robust control toolbox ），信号处理工具箱（signal processing toolbox ）以及仿真环境SIMULINK 等。

（1） MATLAB 的安装本节将讨论操作系统为Microsoft Windows 环境下安装MATLAB7的过程。

将MATLAB7的安装盘放入光驱，系统将自动运行auto-run.bat 文件，进行安装；也可以执行安装盘内的setup.exe 文件启动MATLAB 的安装程序。

启动安装程序后，屏幕将显示安装MATLAB 的初始界面，根据Windows 安装程序的常识，不断单击[Next],输入正确的安装信息，具体操作过程如下：输入正确的用户注册信息码；选择接收软件公司的协议；输入用户名和公司名；选择MATLAB 组件（Toolbox ）；选择软件安装路径和目录；单击[Next]按钮进入正式的安装界面。

自动控制原理课程设计MATLAB仿真

目录概述 (1)一、实验目的 (1)二、简述MATLAB语言的特点及其主要功能 (1)三、控制系统仿真时常用的方法和指令 (2)1、控制系统仿真时常用的方法 (2)a、数学仿真 (2)b、半物理仿真 (2)c、全物理仿真 (2)2、控制系统仿真时常用的指令 (2)1)、Bode图 (2)①、绘制Bode图 (2)②、系统的增益裕度和相角裕度 (2)2）、Nichols图 (3)3）、Nyquist图 (3)4）、一般频率响应图 (3)5）、频率响应的奇异值图 (3)6）、绘制根轨迹 (4)四、实验内容 (4)五、心得体会 (22)六、参考文献 (22)概述MATLAB 是一种直观、高效的计算机语言，同时也是一个科学计算平台。

它的伴随工具Simulink 是用来对真实世界的动力学系统建模、模拟仿真和分析的软件。

我们可将综合性和设计性实验项目通过MATLAB 在计算机上仿真，使系统的观察实验的动态过程。

目前，MATLAB 已经成为我们当代大学生必须掌握的基本技能，在设计研究单位和工业部门，MATLAB 已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。

在完成了验证性、综合性和设计性实验后，课程设计必不可少。

课程设计是工科实践教学的一个重要的环节，目的是培养我们综合运用理论知识分析和解决实际问题的方法和能力,实现由知识向技能的初步化。

所以课程设计是培养我们思维创造能力最有效的途径。

一、实验目的1、培养理论联系实际的科学态度，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力。

2、掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种（矫正）装置的作用及用法，能够利用不同的分析方法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。

3、学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统的仿真与调试。

4、锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力。

二、简述MATLAB语言的特点及其主要功能MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

《MATLAB与系统仿真》PPT课件

是系统某种特定性能的一种抽象形式。
模型的表达形式有物理模型和数学模型两类。
数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，是用数学公式来描述所研究的客观对象或系统中的某一方面的问题。
数
静态模型
学
连续系统模型
模
动态模型离散系统模型
型
编辑版ppt
15
三、系统仿真
一个较流行于工程技术界的定义是：仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。这种定义适用于概括了所有工程的 (技术的)或非工程的(非技术的)系统。
30
工程实际对仿真技术提出的新需求：
１、减少模型的开发时间；２、提高模型建立的精度和实验的精度；３、改进人与人、人与计算机的通信。
编辑版ppt
31
本课程主要讲授内容１、系统建模的基本方法与模型处理技术２、连续系统的数字仿真程序通用算法
－数值积分仿真方法学３、连续系统模型的离散化处理技术 4、计算机仿真软件－MATLAB
动而发生变化的系统进行仿真称为离散事件系统仿真。其数学模型多用流程图或网络图来描述。
（3）混合系统仿真：
当系统的数学模型是由上述两类模型混合构成时，称为混合系统仿真。其仿真方法是将上述两类方法综合于一体。
（4）系统动力学仿真：当对象的数学模型是用系统动力学方程式来
描述时，该系统的仿真称为系统动力学仿真。
法。模拟计算机由一些基本的模拟运算部件组成，这些运算部件有：积分器、加法器、系数器、函数发生器、乘法器等。
模拟计算机是并行运算的，运算速度快，但精度不高，由于它可以实现传递函数为1/s的积分运算，可以方便地求解微分方程。
编辑版ppt
24
（2）数字计算机仿真：

自动化专业课程设计方案(PPT32页)

书面报告
40%
➢ 程序设计 ➢ 结果分析
70% 30%
MATLAB及控制系统仿真课程设计
一、基于观测器的倒立摆控制系统设计及仿真
（分数占比80%）
一级倒立摆
二级倒立摆
三级倒立摆
一级直线顺摆
摆
摆是进行控制理论研究的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。
由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控制理论教学实验设备。
培养学生独立分析问题及解决问题的能力，为以后从事实际控制系统的设计工作打下基础。 2、涉及的相关课程：本综合设计涉及的相关课程主要有自动控制原理、现代控制理论、过程控制、MATLAB及控制系统仿真等。
自动化专业课程设计（二）
3、基本流程：（1）系统分析及数学模型建立（2）开环系统仿真及动态特性分析（3）控制方案设计及闭环系统仿真实验（4）实验结果分析（5）撰写设计报告 4、要求：（1）要求理论正确，设计合理、仿真数据准确（2）设计报告撰写规范
自动化专业课程设计方案(PPT32页)
自动化专业课程设计（二）
MATLAB及控制系统仿真课程设计
自动化专业课程设计方案(PPT32页)
自动化专业课程设计（二）
MATLAB及控制系统仿真课程设计
1、目的：加强学生对控制理论及控制系统的理解，熟练应用计算机仿
真常用算法和工具，完成控制系统计算机辅助设计的训练。提高学生对控制系统的综合及设计技能，扩大学生的知识面，
x轴方向：

[工学]自动控制原理matlab控制系统仿真

• 函数[r,p,k]=residue(num,den)对两个多项式的比进行部分展开，以及把传函分解为微分单元的形式。
• 向量num和den是按s的降幂排列的多项式系数。部分分式展开后，留数返回到向量r，极点返回到列向量p，常数项返回到k。
• [num, den]=residue(r,p,k)可以将部分分式转化为多项式比
10
2、控制系统在matlab中的描述
要分析系统，首先需要能够描述这个系统。在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有： •传递函数模型（系统的外部模型）; •状态方程模型（系统的内部模型）; •零极点增益模型和部分分式模型等。
这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。
11
一、传递函数模型
自动控制原理与Matlab
1
Matlab软件工具在控制系统分析和综合中的应用
• Matlab基本特点 • 控制系统在Matlab中的描述 • 进行部分分式展开 • 控制系统的时间响应分析 • 控制系统的频域响应分析 • 控制系统的根轨迹图 • 系统稳定性分析 • Simulink仿真工具
2
1、matlab基本特点
X o s Xi s
s
r1 p1
s
r2 p2
s
rn pn
ks
19
例：对于下列系统传递函数
输入命令
X o s X i s
s2
s3 3s
2
>> num=[0,1,3];
>> den=[1,3,2];
>>[r,p,k]=residue(num,den)
得到
r＝2．0000 －1．0000
p＝－1．0000 －2.0000 k＝［］

控制系统matlab仿真讲义

本讲义详细介绍了控制系统的matlab仿真与设计，重点围绕控制系统CAD和经典控制理论CAD展开。在控制系统固有特性分析方面，讲义首先探讨了时域分析，通过二阶系统闭环传函的标准形式，分析了阻尼比变化对系统闭环极点位置的影响，并展示了simulink的仿真结果。此讲义深入探讨了频域分析，介绍了频率特性法的基本概念和实用价值，详细阐述了伯德图、奈奎斯特图和尼克尔斯图等频率特性图的应用。特别是，通过伯德图命令的详细示例，展示了如何生成幅频特性和相频特性图，并提供了相应的matlab代码。这些分析方法和示例代码，有助于读者深入理解和掌握控制系统的matlab仿真与设计技术。

matlab线性控制系统分析与设计PPT课件02

和零极点增益转换为状态空间模型。
• 语法：G=ss(传递函数)
%由传
(2)递传递函函数数的获转得换获得由tf命令实现将系统的状态空间法和零极点增益模型转换为传递函数。
• G=ss(零极点模型) 语法：G=tf(状态方程模型) G=tf(零极点模型)
%由状态空间转换 %由零极点模型转换
%由零
极点模型转换获得
• 说明：Ts为采样周期，当采样周期未
指明Ts可以省略，也可
•
以用-1表示，自变量用'z-1'表示。
【例】用状态空间法建立离散系统。
>> a=[-1.5 -0.5;1 0]; b=[1;0]; c=[0 0.5]; d=0; G=ss(a,b,c,d,0.1) %采样周期为
• 【例】创建离散系统脉冲传递函
MATLAB中状态方程模型的建立使用ss和dss命令。
• 语法：
•
G=ss(a,b,c,d)
•
%由a、b、c、d参数获得
状态方程模型
•• 例当6.得1 写状出0 态.7 二0 方7 阶G,%系=程n 时统d 由模1 的ssad状型(2d、ay2态(t ,t b)b方、,程2c ,cdn。、,d edy d)(t t )、 en 2参y ( t )数获n 2 u ( t )
Y (z) G (z)U (Z )
G (z) C (zI A ) 1 B D
G
z
b 1 z M b 2 z (M 1) ... b M 1z 2 b M z 1 b M 1 z N a 1 z (N 1) ... a N 2 z 2 a N 1 z 1 a N
•
即使用状态方程模型来描述控
制系统，状态方程为一阶微分方程：

第 MATLAB的控制系统数学建模PPT课件

注：演示例17
在Simulink中建立系统
G1(s)
(s
6(s 2)(s 5)(s 8)(s
3) 11)
, G 2(s)
s2
5s 1 3s
2
进行串联、并联和反馈连接后，各自的系统模型。
第62页/共65页
本章小结
• 控制系统数学模型的建立是系统分析和设计的基础。为了有效地在MATLAB下对系统进行分析和设计，需要熟练掌握用MATLAB描述数学模型的方法。
X3 X2
G2(s)
（b）相加点前移等效变换
第52页/共65页
方框图的其它变换化简
X1
X3
G1(s)
X1
X1
X3
G1(s)
X1 1 / G1 (s)
（c）分支点后移等效变换
第53页/共65页
方框图的其它变换化简
X1
X3
X1
G1(s)
X3 G1(s)
X3
X3 G1(s)
（d）分支点前移等效变换
第54页/共65页
C = CONV(A, B)
多项式A, B以系数行向量表示，进行相乘。结果C仍以系数行向量表示
第14页/共65页
10.1.2 传递函数的MATLAB相关函数
• 此外，系统传递函数也可以由其它形式的传递函数转换而来。这在系统模型之间的转换一节中将详细介绍。
• 注：前述函数的帮助文档导读
第15页/共65页
u(t)
y 1 0 x(t) 0 0u(t)
第43页/共65页
10.5 方框图模型的连接化简
第45页/共65页
1• 在0.实5际.1应用方中，框整图个模控型制系的统连由接受控化对简象简和述控制装置组成的，