控制系统仿真实验四(新)
简单控制系统python仿真实验
计算机基础理论实验四简单控制系统python仿真实验学号：13 姓名：陈严实验日期：2012/5/24实验目的：学习计算机仿真的方法。
实验内容：1.建立test.py文件，运行test.py,分析实验结果；2.为每一行代码写一个注释系统如上图，鼓风机吹出风需要经过阀门才能到达风轮；而风轮的转速会影响到杠杆位置间接影响到阀门开度。
鼓风机的输入为正作用；风轮以至阀门的影响为负作用（或负反馈）。
代码：#coding=utf-8#系统参数a=0.1b=1.0#系统结构，F：鼓风机的风力; F1：实际输入风力；W：风轮转速def WW(): return a*F1 //*每次输入的风力def FF1(): return F-b*W //*杠杆所得到的力#初始条件F1=2 //*实际输入风力为2W=0.2 //*风轮转速为0.2转每秒print F1,W //*输入实际风力和转速#鼓风机风力正常F=2.2 //*鼓风机的风力为2.2 print "鼓风机风力",F //*输出鼓风机的风力#随着时间增加for t in xrange(20): //*返回一个迭代序列F1,W=FF1(),WW() //*将风力和转速进行更新print F1,W //*输出更新后的风力和转速#鼓风机风力偏大F=2.3 //*当鼓风机的风力为2.3时print "鼓风机风力",F#随着时间增加for t in xrange(20): //*返回迭代列20次F1,W=FF1(),WW() //*再次更新print F1,W //*输出实际风力和转速#鼓风机风力偏小F=2.2 //*当风力为2.2时print "鼓风机风力",F#随着时间增加for t in xrange(20): //*在f=2.2时，再次迭代 F1,W=FF1(),WW()print F1,W实验结果：从结果上，风力偏小时，感觉风轮转速W有点振荡;风力偏大时，比较平稳如果装个matplotlib画个曲线图就更好了风力偏小时，分析结果:转速是风力F的函数，当感觉风轮转速W有点振荡;风力偏大时，比较平稳二者之间成正相关。
实验四 控制系统频率特性的测试 实验报告
实验四控制系统频率特性的测试一．实验目的认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。
二．实验装置（1）微型计算机。
（2）自动控制实验教学系统软件。
三．实验原理及方法（1）基本概念一个稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，输出稳态与输入信号关系如下：幅频特性相频特性（2）实验方法设有两个正弦信号：若以)(y tω为纵轴，而以tω作为参变量，则随tω的变xω为横轴，以)(t化，)(y tω?所确定的点的轨迹，将在 x--y平面上描绘出一条封闭的xω和)(t曲线（通常是一个椭圆）。
这就是所谓“李沙育图形”。
由李沙育图形可求出Xm ，Ym，φ，四．实验步骤（1）根据前面的实验步骤点击实验七、控制系统频率特性测试菜单。
（2）首先确定被测对象模型的传递函数, 预先设置好参数T1、T2、ξ、K（3）设置好各项参数后，开始仿真分析，首先做幅频测试，按所得的频率范围由低到高，及ω由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应该多取几个点五.数据处理（一）第一种处理方法：（1）得表格如下：（2）作图如下：（二）第二种方法：由实验模型即，由实验设置模型根据理论计算结果绘制bode图，绘制Bode图。
（三）误差分析两图形的大体趋势一直，从而验证了理论的正确性。
在拐点处有一定的差距，在某些点处也存在较大的误差。
分析：（1）在读取数据上存在较大的误差，而使得理论结果和实验结果之间存在。
（2）在数值应选取上太合适，而使得所画出的bode图形之间存在较大的差距。
（3）在实验计算相角和幅值方面本来就存在着近似，从而使得误差存在，而使得两个图形之间有差异六.思考讨论（1）是否可以用“李沙育”图形同时测量幅频特性和想频特性答：可以。
在实验过程中一个频率可同时记录2Xm，2Ym，2y0。
（2）讨论用“李沙育图形”测量频率特性的精度，即误差分析（说明误差的主要来源）答：用“李沙育图形”测量频率特性的精度从上面的分析处理上也可以看出是比较高的，但是在实验结果和理论的结果之间还是存在一定的差距，这些误差主要来自于从“李沙育图形”上读取数据的时候存在的误差，也可能是计算机精度方面的误差。
控制系统数字仿真 四阶龙格库塔法
控制系统数字仿真1.实验目的1.掌握利用四阶龙格-库塔（Runge-Kutta）法进行控制系统数字仿真的方法。
2.学习分析高阶系统动态性能的方法。
3.学习系统参数改变对系统性能的影响。
二、实验内容已知系统结构如下图若输入为单位阶跃函数，计算当超调量分别为5%，25%，和50%时K的取值（用主导极点方法估算），并根据确定的K值在计算机上进行数字仿真。
三、实验过程1.计算K值二阶系统单位阶跃响应的超调量%100%=⨯1.当σ%=5%时解得 ζ=0.690设主导极点=ζa + a=0.69a+j0.72a代入D （s ）= 321025s s s K +++=0中， 32(0.690.72)10(0.690.72)25(0.690.72)0a j a a j a a j a K ++++++=解得K=31.3，a=-2.10即1,21.45 1.52s j =-±2. 当σ%=25%时解得 ζ=0.403设主导极点=ζa + a=0.403a+j0.915a代入D （s ）= 321025s s s K +++=0中， 32(0.4030.915)10(0.4030.915)25(0.4030.915)0a j a a j a a j a K ++++++=解得K=59.5，a=-2.75即1,21.112.53s j =-±3. 当σ%=50%时解得 ζ=0.215设主导极点=ζa + a=0.215a+j0.977a代入D （s ）= 321025s s s K +++=0中， 32(0.2150.977)10(0.2150.977)25(0.2150.977)0a j a a j a a j a K ++++++=解得K=103，a=-3.48即1,20.75 3.4s j =-±1. 计算调节时间和超调量 将不同K 值带入到程序中，利用四阶龙格-库塔法得到如下结果：1.K=31.3时， Ts=0.7550S, σ%=4.70% 2.K=59.5时， Ts=1.4100S ，σ%=23.28% 3.K=103时， Ts=1.9700S, σ%=45.49% 1. 用MATLAB 绘制2()(5)K G S S S =+的根轨迹图如下2. 绘制降阶系统跃响应曲线对原系统进行降阶处理，所得闭环传递函数为2()()1025C S K R S S S K=++, 利用四阶龙格-库塔法绘制阶跃响应曲线如下： -25-20-15-10-50510-15-10-551015Root LocusReal Axis I m a g i n a r y A x i s2.K=59.51.验证精确K值通过程序验证得到的精确K值分别为：K=31.76(σ%=5%);K=62.48(σ%=25%); K=113.82(σ%=50%)四、实验结论1.将系统传递函数化成时域形式，可以得到一组微分方程，利用四阶龙格-库塔法，就可以计算得到系统的响应。
自动控制原理实验四-线性定常控制系统的稳定分析
实验四线性定常控制系统的稳定分析
一、实验目的
（1）深刻理解反馈对系统稳定性的作用和影响；
（2）深刻理解系统类型对系统稳定性的影响的规律；
（3）深刻理解零点对系统稳定性无影响；
（4）理解系统参数对系统稳定性的影响。
二、实验原理及内容：
1．单位反馈对系统稳定性的影响
(1) 已知开环系统结构图如图4-1所示。
R （S
其中W(S)分别为：（a ）1()0.11W s s =+和（b ）1()0.2
W s s =- (2)闭环系统单位负反馈形式为：
图4-2 闭环系统
其中W(S)同（1）。
通过观察两组W （S ）在开环和闭环两种形式下系统的零、极点分布和单位阶跃响应曲。
实验四控制系统的阶跃响应
实验四控制系统的阶跃响应实验四：控制系统的阶跃响应一、实验目的1.深入理解控制系统的阶跃响应概念及其实践方法2.掌握控制系统阶跃响应的基本步骤和计算方法3.通过实验数据分析，理解控制系统阶跃响应的特点和影响因素二、实验原理阶跃响应是控制系统的重要特性之一，描述了系统在输入阶跃函数时，输出变量的响应行为。
对于线性时不变系统，阶跃响应通常采用单位阶跃函数作为输入信号，记录并分析系统的输出响应。
通过阶跃响应，可以获得系统的动态性能指标，如系统的稳定性、快速性、准确性等。
三、实验步骤1.选择合适的控制系统，例如PID（比例-积分-微分）控制系统；2.将系统调节至阶跃响应状态，保证系统的稳定性和线性；3.利用阶跃响应函数（通常为单位阶跃函数）作为输入信号输入到控制系统中；4.通过记录系统输出响应的时域波形图，观察和分析控制系统在单位阶跃输入下的响应特性；5.利用系统的单位阶跃响应数据，计算得到系统的动态性能指标。
四、实验数据分析1.单位阶跃响应分析单位阶跃响应是控制系统对单位阶跃函数的响应。
在实验中，通过记录系统在单位阶跃函数输入下的输出响应曲线，可以分析系统的动态性能。
当系统处于稳定状态时，输出将逐渐趋近于最终值，这一过程的时间长度被称为系统的调节时间。
调节时间越短，说明系统响应速度越快。
2.动态性能指标计算利用单位阶跃响应数据，可以计算控制系统的动态性能指标。
以下是一些常见的动态性能指标：（1）超调量（Overshoot）：输出响应的最大值与最终值的差值百分比。
超调量反映了系统的非线性程度，通常以百分比表示。
超调量越大，系统的非线性程度越高。
（2）调节时间（Settling Time）：从输入阶跃函数开始到输出达到最终值±5%（或±2%）所需的时间。
调节时间反映了系统达到稳态所需的时间。
调节时间越短，说明系统响应速度越快。
（3）峰值时间（Peak Time）：输出达到最大值所需的时间。
控制系统仿真实验报告书
一、实验目的1. 掌握控制系统仿真的基本原理和方法；2. 熟练运用MATLAB/Simulink软件进行控制系统建模与仿真；3. 分析控制系统性能，优化控制策略。
二、实验内容1. 建立控制系统模型2. 进行仿真实验3. 分析仿真结果4. 优化控制策略三、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 软件环境：MATLAB R2020a、Simulink3. 硬件环境：个人电脑一台四、实验过程1. 建立控制系统模型以一个典型的PID控制系统为例，建立其Simulink模型。
首先，创建一个新的Simulink模型，然后添加以下模块：（1）输入模块：添加一个阶跃信号源，表示系统的输入信号；（2）被控对象：添加一个传递函数模块，表示系统的被控对象；（3）控制器：添加一个PID控制器模块，表示系统的控制器；（4）输出模块：添加一个示波器模块，用于观察系统的输出信号。
2. 进行仿真实验（1）设置仿真参数：在仿真参数设置对话框中，设置仿真时间、步长等参数；（2）运行仿真：点击“开始仿真”按钮，运行仿真实验；（3）观察仿真结果：在示波器模块中，观察系统的输出信号，分析系统性能。
3. 分析仿真结果根据仿真结果，分析以下内容：（1）系统稳定性：通过观察系统的输出信号，判断系统是否稳定；（2）响应速度：分析系统对输入信号的响应速度，评估系统的快速性；（3）超调量：分析系统超调量，评估系统的平稳性；（4）调节时间：分析系统调节时间，评估系统的动态性能。
4. 优化控制策略根据仿真结果，对PID控制器的参数进行调整，以优化系统性能。
调整方法如下：（1）调整比例系数Kp：增大Kp，提高系统的快速性，但可能导致超调量增大；（2）调整积分系数Ki：增大Ki，提高系统的平稳性，但可能导致调节时间延长；（3）调整微分系数Kd：增大Kd，提高系统的快速性，但可能导致系统稳定性下降。
五、实验结果与分析1. 系统稳定性：经过仿真实验，发现该PID控制系统在调整参数后，具有良好的稳定性。
控制系统仿真实验报告
控制系统仿真实验报告(总19页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除昆明理工大学电力工程学院学生实验报告实验课程名控制系统仿真实验称：开课实验室：计算中心2082015 年 6月 16日实验一电路的建模与仿真一、实验目的1、了解KCL 、KVL 原理；2、掌握建立矩阵并编写M 文件；3、调试M 文件，验证KCL 、KVL ；4、掌握用simulink 模块搭建电路并且进行仿真。
二、实验内容电路如图1所示，该电路是一个分压电路，已知13R =Ω，27R =Ω，20S V V =。
试求恒压源的电流I 和电压1V 、2V 。
IVSV 1V 2图1三、列写电路方程（1）用欧姆定律求出电流和电压 （2）通过KCL 和KVL 求解电流和电压(1) I=Vs/(R1+R2)=2A , V1=I*R1 =6V , V2=I*R2=14V (2) I*R1+I*R2-Vs=0 , V1=I*R1 , V2=I*R2 ,=> I=2A,V1=6V,V2=14V.四、编写M 文件进行电路求解（1）M文件源程序（2）M文件求解结果（1）M文件源程序R1=3;R2=7;Vs=20;I=Vs/(R1+R2)V1=I*R1V2=Vs-V1（2）M文件求解结果I=2V1=6V2=14五、用simulink进行仿真建模（1）给出simulink下的电路建模图（2）给出simulink仿真的波形和数值电流I波形I=2A电压U1波形,U1=6V电压U2波形,U2=14V六、结果比较与分析根据M文件编程输入到matlab中，实验结果与理论计算结果一致。
实验二 数值算法编程实现一、实验目的掌握各种计算方法的基本原理，在计算机上利用MATLAB 完成算法程序的编写拉格朗日插值算法程序，利用编写的算法程序进行实例的运算。
二、实验说明1．给出拉格朗日插值法计算数据表；2．利用拉格朗日插值公式，编写编程算法流程，画出程序框图，作为下述编程的依据；3．根据MATLAB 软件特点和算法流程框图，利用MATLAB 软件进行上机编程； 4．调试和完善MATLAB 程序；5．由编写的程序根据实验要求得到实验计算的结果。
控制系统仿真实验报告(20200717013819)
控制系统仿真实验报告班级：测控 1402 班姓名：王玮学号： 14050402072018 年 01 月实验一经典的连续系统仿真建模方法一实验目的 :1了解和掌握利用仿真技术对控制系统进行分析的原理和步骤。
2掌握机理分析建模方法。
3深入理解阶常微分方程组数值积分解法的原理和程序结构，学习用Matlab 编写数值积分法仿真程序。
4掌握和理解四阶 Runge-Kutta法，加深理解仿真步长与算法稳定性的关系。
二实验内容 :1.编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对非线性模型（3）式进行仿真。
（1）将阀位u增大 10％和减小 10％，观察响应曲线的形状;（2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定？（3）利用 MATLAB 中的 ode45() 函数进行求解，比较与（1）中的仿真结果有何区别。
2.编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真（1）将阀位增大 10％和减小 10％，观察响应曲线的形状;（2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定？（4）阀位增大 10％和减小 10％，利用 MATLAB中的 ode45() 函数进行求解阶跃响应，比较与（ 1）中的仿真结果有何区别。
三程序代码 :龙格库塔 :%RK4文件clccloseH=[1.2,1.4]';u=0.55; h=1;TT=[];XX=[];for i=1:h:200k1=f(H,u);k2=f(H+h*k1/2,u);k3=f(H+h*k2/2,u);k4=f(H+h*k3,u);H=H+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;TT=[TT i];XX=[XX H];end;hold onplot(TT,XX(1,:),'--',TT,XX(2,:));xlabel('time')ylabel('H')gtext('H1')gtext('H2')hold on水箱模型 :function dH=f(H,u)k=0.2;u=0.5;Qd=0.15;A=2;a1=0.20412;a2=0.21129;dH=zeros(2,1);dH(1)=1/A*(k*u+Qd-a1*sqrt(H(1)));dH(2)=1/A*(a1*sqrt(H(1))-a2*sqrt(H(2)));2 编写四阶Runge_Kutta公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真：1阀值 u 对仿真结果的影响U=0.45;h=1;U=0.5;h=1;U=0.55;h=1;2 步长 h 对仿真结果的影响:U=0.5;h=5;U=0.5;h=20;U=0.5;h=39U=0.5;h=50由以上结果知 , 仿真步长越大 , 仿真结果越不稳定。
控制系统仿真实验报告
控制系统仿真实验报告一、实验目的本次控制系统仿真实验的主要目的是通过使用仿真软件对控制系统进行建模、分析和设计，深入理解控制系统的工作原理和性能特点，掌握控制系统的分析和设计方法，提高解决实际控制问题的能力。
二、实验设备与软件1、计算机一台2、 MATLAB 仿真软件三、实验原理控制系统是由控制对象、控制器和反馈环节组成的一个闭环系统。
其工作原理是通过传感器测量控制对象的输出，将其与期望的输出进行比较，得到误差信号，控制器根据误差信号产生控制信号，驱动控制对象，使系统的输出逐渐接近期望的输出。
在仿真实验中，我们使用数学模型来描述控制对象和控制器的动态特性。
常见的数学模型包括传递函数、状态空间方程等。
通过对这些数学模型进行数值求解，可以得到系统的输出响应，从而对系统的性能进行分析和评估。
四、实验内容1、一阶系统的仿真建立一阶系统的数学模型，如一阶惯性环节。
使用 MATLAB 绘制系统的单位阶跃响应曲线，分析系统的响应时间和稳态误差。
2、二阶系统的仿真建立二阶系统的数学模型，如典型的二阶振荡环节。
改变系统的阻尼比和自然频率，观察系统的阶跃响应曲线，分析系统的稳定性、超调量和调节时间。
3、控制器的设计与仿真设计比例控制器（P 控制器）、比例积分控制器（PI 控制器）和比例积分微分控制器（PID 控制器）。
对给定的控制系统，分别使用不同的控制器进行仿真，比较系统的性能指标，如稳态误差、响应速度等。
4、复杂控制系统的仿真建立包含多个环节的复杂控制系统模型，如串级控制系统、前馈控制系统等。
分析系统在不同输入信号下的响应，评估系统的控制效果。
五、实验步骤1、打开 MATLAB 软件，新建脚本文件。
2、根据实验内容，定义系统的数学模型和参数。
3、使用 MATLAB 中的函数，如 step(）函数绘制系统的阶跃响应曲线。
4、对响应曲线进行分析，计算系统的性能指标，如超调量、调节时间、稳态误差等。
5、设计控制器，修改系统模型，重新进行仿真，比较系统性能的改善情况。
控制系统仿真实验四
实验四：控制系统的时域分析一，实验目的1、使用MATLAB 分析系统的稳定性及稳态性能。
2、分析系统的暂态性能并会计算暂态性能指标。
二、实验内容1、已知系统的闭环传递函数为：38440014020200)(234++++=S S G S S S ，分析系统的稳定性，并求该系统的单位阶跃响应曲线。
>> num=[200];>> den=[1 20 140 400 384];>> [z,p]=tf2zp(num ，den);>> ii=find(real(p)>0);n1=length(ii);>> if(n1>0)disp('The Unstable Poles are:');disp(p(ii));else disp('System is Stable');endSystem is Stable>>step(num,den)2、已知离散系统5.08.06.1)(22+--=Z Z Z Z Z φ，求该系统的单位阶跃响应曲线。
>> num=[1.6 -1 0];>> den=[1 -0.8 0.5];>> dstep(num,den);3、控制系统的状态空间模型为：⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡.3.2.1x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--17120100010⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡x x x 321+u ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100 []⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=x x x y 321132，求该系统在[0，3]区间上的单位脉冲响应曲线。
>> A=[0 1 0;0 0 1;0 -12 -17];B=[0;0;1];C=[2 3 1];D=0;>> impulse(A,B,C,D)4、已知控制系统模型为：u x x x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡10961021.2.1，[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=x x y 2111，求系统在y=sint 时的响应。
自动控制原理实验-控制系统频率特性的测试..
实验四 控制系统频率特性的测试1、实验目的认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。
2、实验装置（1）PC586微型计算机。
（2）自动控制实验教学系统软件。
3、实验步骤及数据处理（1）首先确定被测对象模型的传递函数G （S ），根据具体情况，先自拟三阶系统的传递函数，)12)(1()(22221+++=s T s T s T K s G ξ，设置好参数K T T ,,,21ξ。
要求：1T 和2T 之间相差10倍左右，1T <2T 或2T <1T 均可，数值可在0.01秒和10秒之间选择，ξ取0.5左右，K ≤10。
设置T1=0.1，T2=1，ξ =0.5，K=5。
（3）设置好各项参数后，开始作仿真分析，首先作幅频特性测试。
①根据所设置的1T ，2T 的大小，确定出所需频率范围（低端低于转折频率小者10倍左右，高端高于转折频率高者10倍左右）。
所需频率范围是：0.1rad/s 到100rad/s 。
②参考实验模型窗口图，设置输入信号模块正弦信号的参数，首先设置正弦信号幅度Amplitude,例如设置Amplitude=1，然后设置正弦频率Frequency ，单位为rads/sec 。
再设置好X 偏移模块的参数，调节Y 示波器上Y 轴增益，使在所取信号幅度下，使图象达到满刻度。
③利用Y 示波器上的刻度（最好用XY 示波器上的刻度更清楚地观察），测试输入信号的幅值（用2m X 表示），也可以参考输入模块中设置的幅度，记录于表7--2中。
此后，应不再改变输入信号的幅度。
④依次改变输入信号的频率（按所得频率范围由低到高即ω由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应多测试几点，注意：每次改变频率后要重新启动Simulation|Start 选项，观察“李沙育图形” 读出数据），利用Y 示波器上的刻度（也可以用XY 示波器上的刻度更清楚地观察，把示波器窗口最大化，此时格数增多更加便于观察），测试输出信号的幅值（用2m Y 表示），并记录于表7--2（本表格不够，可以增加）。
实验四：基于Simulink的控制系统仿真
实验四：基于Simulink 的控制系统仿真实验目的1． 掌握MATLAB 软件的Simulink 平台的基本操作； 2． 能够利用Simulink 平台研究PID 控制器对系统的影响；实验原理PID （比例-积分-微分）控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。
PID 算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模型。
1．模拟PID 控制器典型的PID 控制结构如图1所示。
`图1 典型PID 控制结构 连续系统PID 控制器的表达式为()()()()tp I Dde t x t K e t K e d K dt ττ=++⎰ （1）式中，P K ,IK 和DK 分别为比例系数，积分系数和微分系数，分别是这些运算的加权系数。
对式（7-21）进行拉普拉斯变换，整理后得到连续PID 控制器的传递函数为1()(1)I C P D P D I K G s K K s K T s s T s =++=++ （2）显然P K ,IK 和DK 这3个参数一旦确定（注意/,/I P I D D PT K K T K K ==），PID 控制器的性能也就确定下来。
为了避免微分运算，通常采用近似的PID 控制器，气传递函数为1()(1)0.11D C P I D T s G s K T s T s =+++ （3）实验过程PID 控制器的P K ,I K 和D K 这3三个参数的大小决定了PID 控制器的比例，积分和微分控制作用的强弱。
下面请通过一个直流电动机调速系统，利用MA TLAB 软件中的Simulink 平台，使用期望特性法来确定这3个参数的过程。
并且分析这3个参数分别是如何影响控制系统性能的。
【问题】某直流电动机速度控制系统如图2所示，采用PID 控制方案，使用期望特性法来确定P K ,IK 和DK 这3三个参数。
期望系统对应的闭环特征根为：-300，-300，-30+j30和-30-j30。
请建立该系统的Simulink 模型，观察其单位阶跃响应曲线，并且分析这3个参数分别对控制性能的影响。
MATLAB控制系统仿真实验报告
清华大学自动化工程学院实验报告课程：控制系统仿真专业自动化班级 122姓名学号指导教师：时间： 2015 年 10 月 19 日— 10 月 28 日目录实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算 (1)实验二 MATLAB语言的程序设计 (6)实验三 MATLAB的图形绘制 (9)实验四采用SIMULINK的系统仿真 (14)实验五控制系统的频域与时域分析 (17)实验六控制系统PID校正器设计法 (23)实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算一、实验时间及地点：实验时间：2015.10.19上午8:30—9:30实验地点：计算中心二、实验目的：1．熟悉MATLAB开发环境2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算三、实验内容：1、新建一个文件夹（自己的名字命名，在机器的最后一个盘符）2、启动MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。
3、保存，关闭对话框4、学习使用help命令，例如在命令窗口输入help eye，然后根据帮助说明，学习使用指令eye（其它不会用的指令，依照此方法类推）5、学习使用clc、clear，观察command window、command history和workspace等窗口的变化结果。
6、初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如exerc1、exerc2、exerc3……），学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。
注意：每一次M-file的修改后，都要存盘。
练习A：（1）help rand，然后随机生成一个2×6的数组，观察command window、command history和workspace等窗口的变化结果（2）学习使用clc、clear，了解其功能和作用（3）输入一个2维数值数组，体会标点符号的作用（空格和逗号的作用）。
（4）一维数组的创建和寻访，创建一个一维数组（1×8）X，查询X数组的第2个元素，查询X数组的第3个元素到第6个元素，查询X数组的第5个元素到最后一个元素，查询X数组的第3、2、1个元素，查询X数组中≤5元素，将X数组的第2个元素重新赋值为111，实例expm1。
控制系统仿真实验报告
控制系统仿真实验报告控制系统仿真实验报告引言控制系统是现代科学技术中的重要组成部分，广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天等领域。
为了验证和优化控制系统的设计方案，仿真实验成为一种重要的手段。
本篇文章将对控制系统仿真实验进行详细的报告和分析。
一、实验目的本次控制系统仿真实验旨在通过模拟真实的控制系统运行环境，验证控制系统的性能和稳定性。
具体目标包括：1. 验证控制系统的闭环性能，包括稳定性、响应速度和误差补偿能力。
2. 评估不同控制策略在系统性能上的差异，比较PID控制、模糊控制等算法的效果。
3. 优化控制系统的设计方案，提高系统的控制精度和鲁棒性。
二、实验装置和方法本次实验采用MATLAB/Simulink软件进行仿真。
通过搭建控制系统的数学模型，并设置不同的控制参数和输入信号，模拟真实的控制环境。
具体步骤如下：1. 建立控制系统的数学模型，包括被控对象、传感器、执行器等部分。
2. 设计不同的控制策略，如PID控制器、模糊控制器等，并设置相应的参数。
3. 设置输入信号，模拟系统的工作条件和外部干扰。
4. 运行仿真实验，记录系统的输出响应、误差曲线和稳定性指标。
5. 分析实验结果，对比不同控制策略的性能差异，优化控制系统的设计方案。
三、实验结果与分析通过多次仿真实验，我们得到了一系列实验结果，并进行了详细的分析。
以下是其中的一些重要发现：1. PID控制器在大部分情况下表现出良好的控制性能，能够实现较快的响应速度和较小的稳态误差。
然而，在某些复杂系统中，PID控制器可能存在过调和震荡的问题。
2. 模糊控制器在处理非线性系统时表现出较好的鲁棒性，能够适应不同工况下的控制要求。
但是，模糊控制器的设计和参数调整相对复杂，需要较多的经验和专业知识。
3. 对于一些特殊的控制系统，如高阶系统和时变系统，需要采用更为复杂的控制策略，如自适应控制、鲁棒控制等。
这些策略能够提高系统的鲁棒性和适应性，但也增加了控制系统的设计和调试难度。
自动控制原理实验四 线性系统的频域分析
实验四 线性系统的频域分析一、实验目的1．掌握用MATLAB 语句绘制各种频域曲线。
2．掌握控制系统的频域分析方法。
二、基础知识及MATLAB 函数频域分析法是应用频域特性研究控制系统的一种经典方法。
它是通过研究系统对正的Nyquist 曲线没有逆时针包围（-1，j0）点，所以闭环系统稳定。
p =-0.7666 + 1.9227i-0.7666 - 1.9227i-0.4668若上例要求绘制)10,10(32-∈ω间的Nyquist 图，则对应的MATLAB 语句为：num=[2 6];den=[1 2 5 2];w=logspace(-1,1,100); 即在10-1和101之间，产生100个等距离的点nyquist(num,den,w)2）Bode图的绘制与分析系统的Bode图又称为系统频率特性的对数坐标图。
Bode图有两张图，分别绘制开环频率特性的幅值和相位与角频率ω的关系曲线，称为对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。
mag,phase是指系统频率响应的幅值和相角，幅值的单位为dB，它的算式为magdB=20lg10(mag)指定幅值范围和相角范围的MATLABnum=[0 0 15 30];den=[1 16 100 0];w=logspace(-2,3,100);[mag,phase,w]=bode(num,den,w); %指定Bode图的幅值范围和相角范围图4-2(a) 幅值和相角范围自动确定的Bode图图4-2(b) 指定幅值和相角范围的Bode图subplot(2,1,1); %将图形窗口分为2*1个子图，在第1个子图处绘制图形semilogx(w,20*log10(mag)); %使用半对数刻度绘图，X轴为log10刻度，Y轴为线性刻度grid onxlabel(‘w/s^-1’); ylabel(‘L(w)/dB’);title(‘Bode Diagram of G(s)=30(1+0.5s)/[s(s^2+16s+100)]’);subplot(2,1,2);%将图形窗口分为2*1个子图，在第2个子图处绘制图形semilogx(w,phase);grid onxlabel(‘w/s^-1’); ylabel(‘ (0)’);注意：半Bode图的绘制可用semilogx函数实现，其调用格式为semilogx(w,L)，其wcp = 1.1936如果已知系统的频域响应数据，还可以由下面的格式调用函数：[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(mag,phase,w)其中（mag,phase,w）分别为频域响应的幅值、相位与频率向量。
控制系统仿真实验指导书及解答
实验一 MATLAB 软件操作练习一、 实验目的1. 熟悉MATLAB 软件的基本操作；2. 学会利用MATLAB 进行基本数学计算的方法；3. 学会用MATLAB 进行矩阵创建和运算。
二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 使用help 命令，查找 sqrt （开方）、roots (求根)等函数的使用方法；2. 用MATLAB 可以识别的格式输入以下矩阵75350083341009103150037193......A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦并将A 矩阵的右下角2×3子矩阵赋给D 矩阵。
赋值完成后，调用相应的命令查看MATLAB 工作空间的占用情况。
3. 矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8];求A^2*B（2）矩阵除法已知 A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];A\B,A/B（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];求A.', A'（4）使用冒号选出指定元素已知： A=[3 2 3;2 4 6;6 8 10];求A 中第3列前2个元素；A 中所有列第2，3行的元素；4. 分别用for 和while 循环结构编写程序，求出6323626302122222i i K ===++++++∑并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。
四、实验步骤1. 熟悉MATLAB 的工作环境，包括各菜单项、工具栏以及指令窗口、工作空间窗口、启动平台窗口、命令历史窗口、图形文件窗口和M 文件窗口；2． 在指令窗口中完成实验内容中规定操作并记录相关实验结果；3. 完成实验报告。
实验二 M 文件编程及图形处理一、实验目的1．学会编写MATLAB 的M 文件；2．熟悉MATLAB 程序设计的基本方法；3. 学会利用MATLAB 绘制二维图形。
二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 选择合适的步距绘制出下面的图形（1）sin(tan )tan(sin )t t -，其中(,)t ππ∈-（2）-0.5t y=e sin(t-)3π，t ∈[0，20]（3）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)， t ∈[0，2π]2.基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的x1=10sint 曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）给横坐标标注’t ’，纵坐标标注‘y(t)‘，3.M 文件程序设计（1）编写程序，计算1+3+5+7+…+(2n+1)的值（用input 语句输入n 值）；（2）编写分段函数⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-<≤=其它021210)(x x x x x f的函数文件，存放于文件ff.m 中，计算出)2(f ，)3(-f 的值四、实验要求1. 预习实验内容，按实验要求编写好实验程序；2. 上机调试程序，记录相关实验数据和曲线，3. 完成实验报告。
实验四 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
实验四转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。
学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
二、实验器材PC机一台，MATLAB软件三、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流I d和转速n的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相应的结论。
转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下：直流电动机：额定电压U N = 220 V，额定电流I dN =136 A，额定转速n N = 1460r/min，电动机电势系数C e= 0.132 V·min/r，允许过载倍数λ=1.5。
晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。
电枢回路总电阻R =0.5Ω，电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数T m = 0.18 s，整流装置滞后时间常数T s=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。
电流反馈系数β=0.05V/A（≈10V/1.5I N)。
四、实验内容1、电流环的仿真。
参考教材P90中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。
图1电流环的仿真模型2、按照表1中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i ，观察电流环输出电枢电流I d 的响应曲线，记录电枢电流I d 的超调量、响应时间、稳态值等参数，是否存在静差？分析原因。
表1 比例积分系数t/sI d /A不同比例系数Kp 和积分系数Ki 时的电枢电流曲线表1不同比例系数K p 和积分系数K i 的电枢电流数据对比分析：由表1可知，不同的比例系数K p 和积分系数K i 会影响系统的电枢电流且系统存在静差，原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，电动机反电动势是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差。
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实验四：控制系统的时域分析
一，实验目的
1、使用MATLAB 分析系统的稳定性及稳态性能。
2、分析系统的暂态性能并会计算暂态性能指标。
二、实验内容
1、已知系统的闭环传递函数为：384
40014020200)(234++++=S S G S S S ，分析系统的稳定性，并求该系统的单位阶跃响应曲线。
>> num=[200];
>> den=[1 20 140 400 384];
>> [z,p]=tf2zp(num ，den);
>> ii=find(real(p)>0);n1=length(ii);
>> if(n1>0)
disp('The Unstable Poles are:');
disp(p(ii));
else disp('System is Stable');end
System is Stable
>>step(num,den)
2、已知离散系统5.08.06.1)(22+--=Z Z
Z Z Z φ，求该系统的单位阶跃响应曲线。
>> num=[1.6 -1 0];
>> den=[1 -0.8 0.5];
>> dstep(num,den);
3、控制系统的状态空间模型为：
⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡.3.2.1x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--17120100010⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡x x x 321+u ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100 []⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=x x x y 321132，求该系统在[0，3]区间上的单位脉冲响应曲线。
>> A=[0 1 0;0 0 1;0 -12 -17];B=[0;0;1];C=[2 3 1];D=0;
>> impulse(A,B,C,D)
4、已知控制系统模型为：u x x x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣
⎡10961021.2.
1，[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=x x y 2111，求系统在y=sint 时的响应。
>> [u,t]=gensig('sin(t)',2*pi);
>> A=[0 1;-6 -9];B=[0;1];C=[1 1];D=0;
>> lsim(A,B,C,D,u,t) [y,x]=lsim(A,B,C,D,u,t);
5、典型二阶系统如下所示:
式中, n ω是自然频率(无阻尼振荡频率), ξ是阻尼系数.要求绘制出当ξ=0.5， n ω分别对2\4\6\8\10\12时系统的单位阶跃响应.
>> zeta=0.5;w=[2:2:12];figure(1);hold on
>> for wn=w;num=wn.^2;den=[1,2*zeta*wn,wn.^2];
>> step(num,den);end;title('Step Response');hold off
三、 思考题
随着n ω的逐渐增大，系统的响应速度怎样变化？并从控制原理的角度给出合理的解释。
222()2n n n G s s s ωξωω=++。