自动控制仿真实验
《自动控制原理》控制系统的simulink仿真实验一
《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Matlab7.0 , 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、建立仿真模型系统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(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)；从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(scope)；所有模块都放置在模型编辑窗口里面。
1.3 模块参数设置（鼠标左键双击各典型环节，则可进行参数设置）双击打开白噪声信号发生器，设定功率(Noise power)为0.0001，采样时间(Sample time)为0.05。
打开比例环节，设定比例增益为2；打开3个传函环节(transfer Fcn)，通过参数设定，分别构成积分、惯性和二阶环节。
自控仿真实验报告
一、实验目的1. 熟悉MATLAB/Simulink仿真软件的基本操作。
2. 学习控制系统模型的建立与仿真方法。
3. 通过仿真分析，验证理论知识，加深对自动控制原理的理解。
4. 掌握控制系统性能指标的计算方法。
二、实验内容本次实验主要分为两个部分：线性连续控制系统仿真和非线性环节控制系统仿真。
1. 线性连续控制系统仿真（1）系统模型建立根据题目要求，我们建立了两个线性连续控制系统的模型。
第一个系统为典型的二阶系统，其开环传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)} \]第二个系统为具有迟滞环节的系统，其开环传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)(s+3)} \]（2）仿真与分析（a）阶跃响应仿真我们对两个系统分别进行了阶跃响应仿真，并记录了仿真结果。
（b）频率响应仿真我们对两个系统分别进行了频率响应仿真，并记录了仿真结果。
（3）性能指标计算根据仿真结果，我们计算了两个系统的性能指标，包括上升时间、超调量、调节时间等。
2. 非线性环节控制系统仿真（1）系统模型建立根据题目要求，我们建立了一个具有饱和死区特性的非线性环节控制系统模型。
其传递函数为：\[ W_k(s) = \begin{cases}1 & |s| < 1 \\0 & |s| \geq 1\end{cases} \]（2）仿真与分析（a）阶跃响应仿真我们对非线性环节控制系统进行了阶跃响应仿真，并记录了仿真结果。
（b）相轨迹曲线绘制根据仿真结果，我们绘制了四条相轨迹曲线，以分析非线性环节对系统性能的影响。
三、实验结果与分析1. 线性连续控制系统仿真（a）阶跃响应仿真结果表明，两个系统的性能指标均满足设计要求。
（b）频率响应仿真结果表明，两个系统的幅频特性和相频特性均符合预期。
2. 非线性环节控制系统仿真（a）阶跃响应仿真结果表明，非线性环节对系统的性能产生了一定的影响，导致系统响应时间延长。
自动控制实验-典型环节的模拟研究
实验一 典型环节的模拟研究一．实验目的1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验台的使用方法。
2．通过对典型环节的软件仿真研究，熟悉并掌握ACES 软件的使用方法。
3．了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，观察和分析各典型环节的响应曲线，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二．实验内容1．搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线。
2．调节模拟电路参数，研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。
3．运行ACES 软件中的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与模拟电路观测的结果作比较。
三．实验步骤在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器，也可选用本实验台上的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器，只要运行ACES 程序，选择菜单列表中的相应实验项目，再选择开始实验，就会打开虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1、CH2两通道观察被测波形。
具体用法参见用户手册中的示波器部分。
1．观察比例环节的阶跃响应曲线 实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。
典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示，比例环节的传递函数为：0()()i U s K U s图1-1-1典型比例环节模拟电路（1） 设置阶跃信号源：A ．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V ”；B ．将阶跃信号区的“0～5V ”端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接；C ．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V ”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建典型比例环节模拟电路：A ．将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B ．按照图1-1-1选择拨动开关：K=1时：将A1的S6、S13拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置； K=0.5时：将A1的S6、S14拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。
（3） 连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。
(最新版)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、；其中可以为连续系统，也可为离散系统。
2、；表示时间范围0---Tn。
3、；表示时间范围向量T指定。
4、；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：其拉氏变换为：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；②③（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.四、实验内容 (一) 稳定性1． 系统传函为()27243645232345234+++++++++=s s s s s s s s s s G ，试判断其稳定性2． 用Matlab 求出的极点。
%Matlab 计算程序num=[3 2 5 4 6];den=[1 3 4 2 7 2];G=tf(num,den);pzmap(G);p=roots(den) 运行结果： p =-1.7680 + 1.2673i -1.7680 - 1.2673i 0.4176 + 1.1130i 0.4176 - 1.1130i -0.2991P ole-Zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i s-2-1.5-1-0.500.5-1.5-1-0.50.511.5图1-1 零极点分布图由计算结果可知，该系统的2个极点具有正实部，故系统不稳定。
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 impulse③ ),(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.四、实验内容 (一) 稳定性1． 系统传函为()27243645232345234+++++++++=s s s s s s s s s s G ，试判断其稳定性2． 用Matlab 求出253722)(2342++++++=s s s s s s s G 的极点。
%Matlab 计算程序num=[3 2 5 4 6];den=[1 3 4 2 7 2];G=tf(num,den);pzmap(G);p=roots(den)运行结果： p =+ - + -P ole-Zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i s-2-1.5-1-0.500.5-1.5-1-0.50.511.5图1-1 零极点分布图由计算结果可知，该系统的2个极点具有正实部，故系统不稳定。
自动控制原理MATLAB仿真实验(于海春)
自动控制原理MATLAB仿真实验（于海春）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imulink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imulink仿真环境常规模板。
图1-1SIMULINK仿真界面图1-2系统方框图3．在imulink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imulink下的“Continuou”，再将右边窗口中“TranferFen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。
2）改变模块参数。
在imulink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。
3）建立其它传递函数模块。
按照上述方法，在不同的imulink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imulink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。
自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真一、实验目的1.熟悉THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱及上位机软件的使用；2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3.测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1.THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱；2.PC 机一台(含上位机软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线；3.双踪慢扫描示波器一台(可选)； 三、实验内容1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3.在上位机仿真界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析是十分有益的。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1.比例（P ）环节 图1-1比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
它的传递函数与方框图分别为：K S U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
图1-22.积分（I ）环节积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：TsS U S U s G i O 1)()()(==设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
图1-33.比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
自动控制原理的仿真实验
功能 光标上移一行 删除光标前一个字符 光标下移一行 删除光标后一个字符 光标左移一个字符 光标移到行尾 光标右移一个字符 删除一行 光标右移一个单词 光标移到行首 光标左移一个单词 从光标处删除到行尾
自动控制原理实验教程
MATLAB的帮助系统 （1）使用联机帮助窗口 （2）使用帮助命令help，查找已知命令的使用方法 。 （3）使用lookfor命令，通过一般关键词找到命令和帮助标 题。 （4）演示帮助 在命令窗口执行demos命令
（4）学会使用Simulink模型结构图化简复杂控制系统模型的方法。
2014-6-25
自动控制原理实验教程
二、控制系统模型的建立
控制系统常用的数学模型有四种：传递函数模型（tf对 象）、零极点增益模型（zpk对象）、结构框图模型和状 态空间模型（ss对象）。经典控制理论中数学模型一般 使用前三种模型，状态空间模型属于现代控制理论范畴。 1、传递函数模型（也称为多项式模型） 连续系统的传递函数模型为：
K为系统增益，
z1，z2，…，zm为系统零点，
p1，p2，…，pn为系统极点。
在MATLAB中，用向量z，p，k构成矢量组 [ z, p, k ] 表示系 统。即z = [ z1, z2 ,…,zm ] ，p = [ p1, p2,…, pn ] ，k = [ k ]
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 )
b0 s m b1 s m1 ... bm num(s) G( s ) , n n 1 den(s) a0 s a1 s ... an nm
在MATLAB中用分子、分母多项式系数按s的降幂次序 构成两个向量： num = [ b0 , b1 ,…, bm ] ，den = [ a0 , a1 ,…, an]。
自动控制原理MATLAB分析与设计-仿真实验报告
兰州理工大学《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告院系：电气工程与信息工程学院班级：电气工程及其自动化四班姓名：学号：时间：年月日电气工程与信息工程学院《自动控制原理》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014） 一、仿真实验内容及要求 1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。
2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析； ∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。
2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5； ∙ 利用MATLAB 绘制教材第四章习题4-5；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。
3）第五章 线性系统的频域分析法∙ 利用MATLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正∙ 利用MATLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；∙ 利用MATLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。
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 GSimulink 图形实现：示波器显示结果：③ 积分环节s s G 1)(1Simulink 图形实现：示波器显示结果：④ 微分环节s s G )(1Simulink 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 G1）、G1（s ）=s+2Simulink 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 11)(1+=和s s G 211)(2+=1）、G1（1）=1+1/sSimulink 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一、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ζ和nω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。
二、实验内容1．观察函数step( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为243237()4641s s G s s s s s ++=++++绘制出系统的阶跃响应曲线？2．对典型二阶系统222()2n n n G s s s ωζωω=++1）分别绘出2(/)n rad s ω=，ζ分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响，并计算ζ=0.25时的时域性能指标,,,,p r p s ss t t t e σ。
自动控制 Matlab仿真实验一
仿真实验○一：控制系统的时域分析一、实验目的：1．观察控制系统的时域响应；2．记录单位阶跃响应曲线；3．掌握时间响应分析的一般方法；4．初步了解控制系统的调节过程。
二、实验步骤：1．开机进入Matlab6.1运行界面。
2．Matlab指令窗："Command Window". 运行指令：con_sys; 进入本次实验主界面。
3．分别双击上图中的三个按键，依次完成实验内容。
4．本次实验的相关Matlab函数：tf([num],[den])可输入一传递函数。
step(G,t)在时间范围t秒内，画出阶跃响应图。
三、实验内容：1、观察一阶系统G=1/(T+s) 的时域响应：取不同的时间常数T，分别观察该系统的脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应以及单位加速度响应。
结论：时间常数越小，响应越迅速。
2、二阶系统的时域性能分析：（1）调节时间滑块，使阶跃响应最终出现稳定值。
（2）结合系统的零极点图，观察自然频率与阻尼比对极点位置的影响。
（3）结合时域响应图，观察自然频率与阻尼比对阶跃响应的影响。
结论：阻尼比越小，极点越靠近虚轴，超调量减小，但响应速度变慢。
自然频率减小，极点靠近虚轴，响应速度减小，超调几乎不变。
（4）调节自然频率与阻尼比，要求：Tr<0.56s ，Tp<1.29s，Ts<5.46，超调不大于5％.记录下满足上述要求的自然频率与阻尼比。
调节完成之后的响应曲线如图。
此时自然频率为14.5872rad/sec,阻尼比为0.77456。
各项参数完全满足要求。
3、结合《自动控制原理》一书，Page 135，题3_10. 分别观察比例_微分与测速反馈对二阶系统性能的改善。
（1）.按原始的调节参数输入，调节时间滑块，使阶跃响应最终出现稳定值。
（2）采用不同的G输入，观察各项性能指数。
结论：增大分母中间的参数，相当于增大系统阻尼比，从而减小超调量(3).分别取不同的K3，观察比例_微分控制对系统性能的改善。
自动控制理论实验指导书(仿真).详解
实验一典型环节的MATLAB仿真Experiment 1 MATLAB simulation of typical link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。
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。
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。
自动控制原理的仿真实验教学设计
自动控制原理的仿真实验教学设计自动控制原理是现代工程技术中的重要学科之一，其应用广泛，涉及到许多领域，如工业控制、机械控制、电力系统控制等。
为了使学生更好地掌握自动控制原理，教学应该注重实践和应用，而仿真实验是一种非常有效的教学手段。
本文将介绍一种基于仿真实验的自动控制原理教学设计。
一、教学目标本教学设计的目标是让学生掌握以下内容：1.自动控制原理的基本概念和理论知识。
2.使用Simulink进行仿真实验，掌握仿真实验的基本操作和方法。
3.设计和实现常见控制系统的仿真实验，如比例控制、积分控制、微分控制等。
4.理解控制系统的动态特性，如稳态误差、超调量、调节时间等。
二、教学内容1.自动控制原理的基本概念和理论知识自动控制原理是研究自动控制系统的基本原理和方法的学科。
它主要研究控制系统的结构、动态特性和控制方法等方面的问题。
自动控制系统是由传感器、执行器、控制器和处理器等组成的，它可以自动地调节系统的输出，使其达到预定的目标。
2.使用Simulink进行仿真实验Simulink是MATLAB的一个工具箱，它可以用来建立和仿真动态系统。
在本教学设计中，我们将使用Simulink进行仿真实验。
学生需要掌握Simulink的基本操作和方法，包括建立模型、设置参数、运行仿真等。
3.设计和实现常见控制系统的仿真实验在本教学设计中，我们将设计和实现常见的控制系统仿真实验，如比例控制、积分控制、微分控制等。
学生需要了解这些控制方法的基本原理和实现方法，以及它们对控制系统的影响。
4.理解控制系统的动态特性控制系统的动态特性是指控制系统在响应外部信号时的特性。
它包括稳态误差、超调量、调节时间等。
学生需要理解这些动态特性的概念和意义，以及如何通过调整控制器的参数来改善控制系统的动态特性。
三、教学方法本教学设计采用“理论教学+仿真实验”的教学方法。
在理论教学中，教师将介绍自动控制原理的基本概念和理论知识，以及控制系统的动态特性。
基于MATLAB的“自动控制原理”仿真实验系统设计
种方 法 ， 种是 基本 代 码 书 写方 法 ， 方 法 主要 是 一 该
处 理 ， 且 不 同 的 图形 具 有 不 同 的句 柄 ． Ｔ Ａ 而 ＭＡ Ｌ Ｂ
① 收稿 日期 ：０ ０一ｌ Ｏ ２１ １一 ８
作者 简介： 田思庆 （９ ５一） 男 ， １６ ， 黑龙江佳木斯人 ， 佳木斯大学信息 电子技术学 院教授
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
Ｉ ｌ ｌ ｌ ｌ
二 脉 响 二 阶 响 高 脉 响 高 阶 响 阶 冲 应 阶 跃 应 阶 冲 应 阶 跃 应
图 １ 系统 的功能结构图
Ｂｔ 绘 Ｎ ｌ 绘 Ｊ ｏｅ 制 ｉ ０图 图 １ ｌ １
基于 Ｇ Ｉ Ｕ 图形用 户 界 面 以友 好 的形 式将 自动 控制理 论 中的核 心 内容 与 系 统 响 应 仿 真处 理 方法
理论 性 强 ， 计算 量 大和 图形 多 而复 杂等 ． 于一 阶 、 对
二 阶系统 ， 以根据 理 论和 经验 准确 的画 出系统 的 可
自动 控 制 仿 真 实 验 系 统
数据读入
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第２ ９卷 第 １期
２ １ 年 ０ 月 ０１ １
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） Ｊｕ ａ ｏ ａ ｕｉ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔ ｍ ｓ Ｕ ｉ ｓｙ（ ａ ｒｌ ｃ ｃ ｄｔ ｎ ｎ Ｊ ｅｉ ｕ ｅ ｉ
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 ss=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 ()0.21G ss=+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 ()0.102sG ss+=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 ()220s G ss=++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 ()220sG ss 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()10250C 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()10100C 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：③0.75K ξ==传递函数为2()50()1050C 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：2. 单位负反馈系统的开环传递函数为：(1)()()(21)k s G s H s s s +=+仿真绘制K 从0~∞变化时的根轨迹，分析系统的稳定性。
自动控制仿真实验系统设计与实践
１ 自动 控 制 系统 仿 真简 述
一
个 自动 控制 系统 从 宏观 上 讲 ， 应 由控 制 系 统 和
将 自动 控 制 仿 真 实验 系统 分 为 ３ 种不同的形式 ， 进 而 进 行 不 同侧 重 点 的实 验 训 练 。实 践 表 明 ， ３种 不 同 形 式
的 自动 控 制 仿 真 实 验 系统 具 备 互 补 性 和 侧 重 训 练 的 有 效 性 。
关键词 ： 仿真实验 ； 实验教学 ； 计 算 机 控 制 系 统 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９ ； Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标志码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ２ — ４ ９ ５ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — 学生 的创造性 思维 、 解决 问题和 独 立工作 能力 。
程， 其 理论涉 及面 广 ， 与实 践联 系 紧密 。在计 算机 控制
系统 等课程 中 ， 由于拖 动 控制 和 过 程 控制 的受 控对 象
复杂 且种类 繁多等 ， 开 发 的实 验装 置 成 本高 、 周期 长 ，
（ Ｔｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ Ａｆ ｆ ａ ｉ ｒ ｓ Ｏｆ ｆ ｉ ｃ ｅ ，Ｎｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ ０ ４，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｈｅ ｃ ｏｍ ｐｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏｒ ｔ ａ ｎｔ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈｅ ｅ ｘｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ｔ ｅ ａ ｃ ｈｉ ｎｇ ｏ ｆ ｃ ｏｍ ｐｕ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ
自动控制理论实验课程6.3.1 极点配置仿真实验
极点配置（一）实验原理给定一个连续时间系统的状态空间模型：Bu Ax x += (1)其中：x 是系统的n 维状态向量，u 是m 维控制输入，A 和B 分别是适当维数的已知常数矩阵。
在状态反馈Kx -=u (2)作用下，闭环系统的状态方程是x BK A x )(-= (3)由线性时不变系统的稳定性分析可知，闭环系统（3）的稳定性由闭环系统矩阵A-BK 的特征值决定，即闭环系统（3）渐近稳定的充分必要条件是矩阵A-BK 的所有特征值都具有负实部。
而由经典控制理论知道，矩阵A-BK 的特征值也将影响诸如衰减速度、振荡、超调等过渡过程特性。
因此，若能找到一个适当的矩阵K ，使得矩阵A-BK 的特征值位于复平面上预先给定的特定位置，则以矩阵K 为增益矩阵的状态反馈控制器（2）就能保证闭环系统（3）是渐近稳定的，且具有所期望的动态响应特性。
这种通过寻找适当的状态反馈增益矩阵K ，使得闭环系统极点（即矩阵A-BK 的特征值）位于预先给定位置的状态反馈控制器设计问题称为是状态反馈极点配置问题，简称为极点配置问题。
对给定的线性定常系统（1）和一组给定的期望闭环极点},,{n 2,1λλλ =Ω，按以下步骤可以设计出使得闭环系统（3）具有给定极点},,{n 2,1λλλ =Ω的状态反馈控制器（2）。
第1步：检验系统的能控性。
如果系统是能控的，则继续第2步。
第2步：利用系统矩A 阵的特征多项式0111)det(a a a A I n n n +++=---λλλλ （4）确定的110,,,-n a a a 值。
第3步：确定将系统状态方程变换为能控标准形的变换矩阵T 。
若给定的状态方程已是能控标准形，那么T=I 。
非奇异线性变换矩阵T 可按如下方式确定：可控性矩阵：],b ,[1b A A b U n -= （5）计算1-U ，并记最后一行为h给出变换阵：112],,,h [--=n hA hA hA T （6）第4步：利用给定的期望闭环极点，可得期望的闭环特征多项式为011121)())((b b b n n n n +++=-----λλλλλλλλλ （7）并确定110,,,b -n b b 的值第5步：确定极点配置状态反馈增益矩阵K ：T a b a b a b a b K n n n n ],,,[11221100--------= （8）也可以通过待定系数的方法来确定极点配置状态反馈增益矩阵K 。
自动控制原理MATLAB仿真实验指导书(4个实验)
自动控制原理MATLAB仿真实验实验指导书电子信息工程教研室实验一典型环节的MA TLAB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MA TLAB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。
图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图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。
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。
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。
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《自动控制原理》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2009）一．仿真实验内容及要求：1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。
2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材P136.3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材P136.3-9系统的动态性能及稳态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用； ∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3。
∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System ”，在100=a K 时，试采用微分反馈使系统的性能满足给定的设计指标。
2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5；∙ 利用MATLAB 绘制教材P181.4-5-(3）； ∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10或4-18，并对结果进行分析。
3）第五章 线性系统的频域分析法利用MATLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线； 4）第六章 线性系统的校正利用MATLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能。
5）第七章 线性离散系统的分析与校正∙ 利用MATLAB 完成教材P383.7-20的最小拍系统设计及验证。
∙ 利用MATLAB 完成教材P385.7-25的控制器的设计及验证。
二．仿真实验时间安排及相关事宜1．依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师可随课程进度安排上机时间，学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时内完成仿真实验要求的内容； 2．实验完成后按规定完成相关的仿真实验报告； 3．仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订；4．仿真实验报告必须在本学期第15学周结束之前上交授课教师。
自动化系《自动控制原理》课程组 2009.08●3-5设单位反馈系统的开环传递函数为G(s)错误！未找到引用源。
试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。
并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果。
0123456789100.20.40.60.811.21.4与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较timr/seca m p l i t u d e分析：此系统在单位阶跃输入下的动态性能：峰值时间 tp=3.2s 超调量σ％=18% 调节时间 ts=8s 忽略闭环零点后的单位阶跃输入下的动态性能：峰值时间 tp= 3.7s 超调量σ％= 17% 调节时间 ts=6.67s 结论：闭环零点对系统动态性能的影响：●3-9设控制系统如图3-9所示。
要求：（1）取T1=0，T2=0.1，计算测速反馈校正系统的超调量，调节时间和速度误差；2）取T1=0.1，T2=0，计算测速反馈校正系统的超调量，调节时间和速度误差；解：（１）0123456789100.20.40.60.811.21.41.61.8（２）分析：当τ1=0，τ2=0.1时：峰值时间tp=1.06s 超调量σ％=35% 调节时间ts=4.12s 稳态误差 ess=0.2当τ1=0.1，τ2=0时：峰值时间tp=0.908s 超调量σ％=37% 调节时间ts=3.89s 稳态误差 ess=0.1结论：在一定的程度上，反馈微分控制器和比例微分控制器的动态性能和稳态性能差不多，但在相同的阻尼比的情况下，反馈微分控制器可以减小超调量，比例微分控制器使调节时间减小，峰值时间减小，响应速度加快，同时减小稳态误差。
●E3.3 A closed-loop control system is shown in Figure3.2 Determine the transfer function C(s)R(s);Determine the poles and zeros of the transfer function;Use a unit step input,R(s)=1／s,and obtain the partial fraction expansion forC(s)And the steady-state value.Plot c(t) and discuss the effect of the real and complex poles of the transfer function.012345678910-0.20.20.40.60.811.2●对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在Ka=100时，试采用微分反馈使系统的性能满足给定的设计指标。
K a =100, G1(s)=错误！未找到引用源。
, G2(s)=错误！未找到引用源。
, R(s)=错误！未找到引用源。
1●E4.5A control systerm shown in Figure4.1 has aplantG(s)=1/[s(s-1)]1)When Gc(s)=K,show that the system is always unstable by sketching the root locus.2)WhenGc(s)=K(S+2)/(s+20),sketch the root locus and determine the range of k for which the system is stable.Determine the value of k and the complex roots when two lie on the jw-axis.解： G=tf([1 2],[1 19 -20 0]);figure(1) pzmap(G) figure(2) rlocus(G);Real AxisI m a g i n a r y A x i s解： G=tf([1],[1 10.5 30.5 48 17.5 0]);figure(1) pzmap(G) figure(2) rlocus(G);P ole-Zero M apReal AxisI m a g i n a r y A x i s-2-1.5-1-0.50.511.52Real AxisI m a g i n a r y A x i s要求：（1）绘出系统根轨迹图；并判断系统稳定性。
（2）如果改变反馈通路传递函数，使H(s)=1+2s,试判断H(s)改变后的系统稳定性。
解：（1）G=tf([1],[1 7 10 0 0]); figure(1) pzmap(G) figure(2) rlocus(G);Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sP ole-Zero M apReal AxisI m a g i n a r y A x i s实验分析：根据实验结果图得当K*由零变到无穷大时，系统始终有特征根子s 的右半面，所以系统恒不稳定●5-11绘制G （s ）=错误！未找到引用源。
解：G=tf([2],[16 10 1]);figure(1) margin(G); figure(2) nichols(G);axis([-270 0 -4 40]);ngrid figure(3) nyquist(G); axis equal-60-40-2020M a g n i t u d e (d B )10-310-210-110101-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , P m = 101 deg (at 0.196 rad/sec)Frequency (rad/sec)-270-225-180-135-90-450510152025303540Nichols ChartOpen-Loop P hase (deg)O p e n -L o o p G a i n (d B )-1-0.500.51 1.52-1.5-1-0.50.511.5Nyquist DiagramReal AxisI m a g i n a r y A x i s●5-27 试验中的旋翼飞机装有一个可以旋转的机翼，当飞机速度较低时，机翼将处在正常位置;而在速度较高时，机翼将旋转到一个其他合适的位置，以便改善飞机的超音速飞行品质。
假定飞机控制系统的H(s)=1，且G(s)=错误！未找到引用源。
要求：（1）绘制开环系统的对数频率特性曲线；（2）确定幅值增益为0dB 时对应的频率ωc 和相角为180。
时对应的频率ωx 。
解：G=tf([2 4],[32 0.1 2.03125 0.1 2]);figure(1) margin(G); figure(2) nichols(G);axis([-270 0 -4 40]);ngrid figure(3) nyquist(G); axis equal-270-225-180-135-90-450510152025303540Nichols ChartOpen-Loop P hase (deg)O p e n -L o o p G a i n (d B )-1-0.500.51 1.52 2.5Nyquist DiagramReal AxisI m a g i n a r y A x i sM a g n i t u d e (d B )10-210-110101102P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf , P m = -165 deg (at 0.541 rad/sec)Frequency (rad/sec)实验分析：截止频率ωc=1.6rad/s,穿越频率ωx=7.7rad/s 。
●6-5设单位反馈系统的开环传递函数为G 0(s)=8/s(2s+1)若采用滞后-超前校正装置Gc(s)=（10s+1）(2s+1)/(100s+1)(0.2s+1)对系统进行串联校正，试绘制系统校正前后的对数幅频渐近特性，并计算系统校正前后的相角裕度解：(1)校正前：G0=zpk([],[0 -0.5],4); figure bode(G0); grid校正前系统的图-40-200204060M a g n i t u d e (d B )10-210-110101-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)（2）校正后G0=zpk([],[0 -0.5],4); num=conv([10 1],[2 1]); den=conv([100 1],[0.2 1]); Gc=tf(num,den); G=series(G0,Gc); figure bode(G); grid校正后的系统：Frequency (rad/sec)-100-50050100150M a g n i t u d e (d B )10-410-310-210-110101102-180-135-90P h a s e (d e g )●6-22 已知：G0（s ）=错误！未找到引用源。