实验三 控制系统仿真分析
控制系统仿真及分析
控制系统仿真及分析1. 简介控制系统是现代工程领域中一个重要的研究方向，它涉及到对物理系统进行建模、仿真和分析的过程。
通过控制系统的仿真及分析，可以评估系统的性能、优化系统的设计以及验证控制策略的有效性。
本文将介绍控制系统仿真及分析的基本概念、常用方法和工具。
2. 控制系统建模在进行控制系统仿真及分析之前，需要对被控制的物理系统进行建模。
控制系统建模可以采用多种方法，如传递函数模型、状态空间模型等。
传递函数模型将系统的输入输出关系描述为一个有理多项式的比例，而状态空间模型则将系统的动态行为表示为一组微分或差分方程。
控制系统建模的关键是准确描述系统的动态特性和结构，以便进行后续的仿真和分析。
在建模过程中，需要考虑系统的非线性、时变性以及不确定性等因素，以提高模型的精度和可靠性。
3. 控制系统仿真控制系统仿真是通过计算机模拟控制系统的行为，以评估系统的性能和验证控制策略的有效性。
仿真过程基于系统的数学模型，通过数值计算方法求解系统的动态方程，得到系统输出的时域响应或频域特性。
常见的控制系统仿真方法包括时域仿真、频域仿真和混合域仿真。
时域仿真将系统的输入信号与数学模型进行数值计算，获得系统的时域响应；频域仿真则基于傅里叶变换，将系统的输入输出转化为频域表示，分析系统的频率特性；混合域仿真结合了时域和频域仿真的优点，可以更全面地评估系统的性能。
4. 控制系统分析控制系统分析是评估控制系统性能的过程，旨在提供设计指导和性能改善建议。
控制系统的分析可以从多个角度进行，如稳定性分析、性能指标分析、稳态误差分析等。
稳定性分析是控制系统分析的重要一环，它评估系统的稳定性特性。
常用的稳定性分析方法包括根轨迹法、Nyquist法和Bode图法等。
这些方法通过分析系统的传递函数或状态空间模型，判断系统的稳定性并确定系统的稳定裕度。
性能指标分析用于评估系统的性能特征，如响应时间、超调量、稳态误差等。
常见的性能指标包括阶跃响应特性和频率响应特性。
热工控制系统实验三过热汽温串级控制系统仿真实验样本
实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验一、实验目1.理解过热汽温串级控制系统构造构成。
2.掌握过热汽温串级控制系统性能特点。
3.掌握串级控制系统调节器参数实验整定办法。
4.分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质影响。
二、实验原理本实验以某300MW 机组配套锅炉过热汽温串级控制系统为例, 其原理构造图如下图所示:过热器过热器喷水减温器图3－1 过热汽温串级控制系统原理构造图由上图, 可得过热汽温串级控制系统方框图如下:扰动图3－2 过热汽温串级控制系统方框图● 主调节器在图3－2所示过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ）调节器, 其传递函数为:()11111111111T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=++=++ ⎪⎝⎭式中: ——主调节器比例系数( )；1i K ——主调节器积分系数(1111i i K δ=)；1d K ——主调节器微分系数(111d d K T δ=)。
● 副调节器在图3－2所示过热汽温串级控制系统中副调节器 采用比例（P ）调节器,其传递函数为:()2221T p W s K δ==● 式中: ——副调节器比例系数( )。
● 导前区对象在图3－2所示过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 在50％和100％负荷下 传递函数分别为:（1）50％负荷下导前区对象传递函数: ● （2）100％负荷下导前区对象传递函数: ● 惰性区对象在图3－2所示过热汽温串级控制系统中惰性区对象()1W s 在50％和100％负荷下 传递函数分别为:（1）50％负荷下惰性区对象传递函数: （2）100％负荷下惰性区对象传递函数:三、实验环节1.在MATLAB 软件Simulink 工具箱中, 打开一种Simulink 控制系统仿真界面, 依照图3－2所示过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下:图3－3 过热汽温串级控制系统仿真组态图惰性区对象传递函数模块建立惰性区对象传递函数为三阶惯性环节, 在组态图中采用建立子模块方式建立惰性 区对象传递函数模块。
控制系统仿真综合实验报告
图 2-1
校正前系统阶跃响应曲线
可以看出原系统的响应速度非常慢， 所以要通过校正来改善系统的动态性能， 可以采用串联超前校正。 原系统为Ⅰ型系统，容易求出系统的速度误差系数为
K lim
s 0
s 400 2 s ( s 30 s 200)
2
根据实验要求速度误差系数为 10 ，那么 KV 10 / 2 5 ，此时系统的开环 传函为： G s
5 400 ，用 MATLAB 计算得相角裕量为 32.6°，由于采 s s 30 s 200
2
用串联超前校正能够增大系统的相角裕量，所以综合考虑，采用串联超前校正。 2. 经过第一步的分析，采用串联校正，可以计算出串联校正装置传递函数为 5 (1 0.12 s ) ，因此校正后的开环传递函数为： 1 0.048s
K Ess Overshoot(%) Ts(s) 5 0.2857 34.6099 4.7766
表1
8 0.20000 43.5125 5.6730
9 0.1818 45.7812 5.5325
12 0.1429 51.6704 5.7655
不同 K 值下系统响应的参数
（四）实验结果与分析 从理论上分析，系统的传递函数为 G s
ulxxlgxx?????????????????????????????????????????????????????????????????4301004300100000000010????uxxxy????????????????????????????????????0001000001???实际系统摆杆转动轴心到杆质心的长度为l025m则系统的状态方程为
（二）实验要求 1. 使用 Matlab 进行仿真； 2. 分析不同 K 值的情况下，系统的单位阶跃响应曲线，并绘图进行比较； 3. 列表对系统响应各性能进行比较，并确定你认为合适的参数值。 （三）实验内容及步骤 1.运行 MATLAB,进行仿真实验。
MATLAB与控制系统仿真实验报告
MATLAB与控制系统仿真实验报告第一篇：MATLAB与控制系统仿真实验报告《MATLAB与控制系统仿真》实验报告2013-2014学年第 1 学期专业：班级：学号：姓名：实验三 MATLAB图形系统一、实验目的：1.掌握绘制二维图形的常用函数。
2.掌握绘制三维图形的常用函数。
3.熟悉利用图形对象进行绘图操作的方法。
4.掌握绘制图形的辅助操作。
二、实验原理：1，二维数据曲线图（1）绘制单根二维曲线plot(x,y);（2）绘制多根二维曲线plot(x,y)当x是向量，y是有一维与x同维的矩阵时，则绘制多根不同颜色的曲线。
当x，y是同维矩阵时，则以x，y对应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。
（3）含有多个输入参数的plot函数plot(x1,y1,x2,y2,…,xn,yn)（4）具有两个纵坐标标度的图形plotyy(x1,y1,x2,y2)2,图形标注与坐标控制1）title(图形名称)；2）xlabel（x轴说明）3）ylabel（y轴说明）4）text（x，y图形说明）5）legend（图例1，图例2，…）6）axis（[xmin xmax ymin ymax zmin zmax]）3, 图形窗口的分割 subplot（m,n,p）4,三维曲线plot3（x1,y1,z1,选项1，x2,y2，选项2，…,xn,yn,zn,选项n）5，三维曲面mesh(x,y,z,c)与surf(x,y,z,c)。
一般情况下，x，y，z是维数相同的矩阵。
X，y是网格坐标矩阵，z是网格点上的高度矩阵，c用于指定在不同高度下的颜色范围。
6，图像处理1）imread和imwrite函数这两个函数分别用于将图象文件读入matlab工作空间，以及将图象数据和色图数据一起写入一定格式的图象文件。
2）image和imagesc函数这两个函数用于图象显示。
为了保证图象的显示效果，一般还应使用colormap函数设置图象色图。
控制系统仿真实验报告1
昆明理工大学电力工程学院学生实验报告实验课程名称：控制系统仿真实验开课实验室：年月日实验一 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仿真的波形和数值六、结果比较与分析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。
三、实验原始数据上机编写拉格朗日插值算法的程序，并以下面给出的函数表为数据基础，在整个插值区间上采用拉格朗日插值法计算(0.6)f，写出程序源代码，输出计算结果：四、拉格朗日插值算法公式及流程框图五、程序代码六、计算结果f=(0.6)实验三 动态电路的建模及仿真一、实验目的1．了解动态电路的理论，掌握动态电路建模的基本原理； 2．熟悉MATLAB 的Simulink 模块，并掌握使用模块搭建过程。
二、实验说明电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，主要由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成，在国民经济中占有非常重要的作用。
控制系统仿真实验三报告
实验三采样系统的仿真一实验目的1．掌握理解数字控制系统的仿真技术。
2．掌握理解增量式 PID 数字控制器的实现方法。
二实验内容1根据上面的各式，编写仿真程序。
取K P= 1.89 ，T i = 30 s, T d= 7.5s，T = 10s，H2set _ percent = 80，tend = 700 , 进行仿真实验，绘制仿真曲线。
clcclear allA=2;ku=0.1/0.5;H10=1.5;H20=1.4;alpha12 = 0.25/sqrt(H10);alpha2 = 0.25/sqrt(H20);R12=2*sqrt(H10)/alpha12;R2=2*sqrt(H20)/alpha2;H1SpanLo=0;H2SpanLo=0;H1SpanHi=2.52;H2SpanHi=2.52;Kp=1.89;Ti=30;Td=10;ad = 1/(A*R12);a1 = 1/(A*R12);a2 = 1/(A*R2);Kc=Kp/Ti;bc=Ti;Kd = 1/A;K1 = ku/A;K2 = 1/(A*R12);beta1=1/(a1*a2);beta3=beta1*a1/(a2-a1);beta2=-beta1-beta3;u(1)=0;u(2)=0;u(3)=0;y(1)=0;y(2)=0;y(3)=0;nCounter = 70;T=10;k=2;deltuU=0;e(1)=0;e(2)=0;e(3)=0;uc(1)=0;H20_percent=(H20-H2SpanLo)/(H2SpanHi-H2SpanLo)*100;H2set_percent=80;tend = nCounter*T;for t=2*T:T:tendk=k+1;e(3)=(H2set_percent -(y(k-1)+H20-H2SpanLo)/(H2SpanHi-H2SpanLo)*100)/100;deltaU=Kp*(e(3)-e(2))+Kp*T/Ti*e(3)+Kp*Td/T*[e(3)-2*e(2)+e(1)];e(1)=e(2);e(2)=e(3);u(k)=u(k-1)+deltaU;y(k)=(exp(-a1*T)+exp(-a2*T))*y(k-1) -exp(-(a1+a2)*T)*y(k-2)+K1*K2*(beta1+beta2+beta3)*u(k)- ...K1*K2*(beta1*(exp(-a1*T)+exp(-a2*T))+beta2*(1+exp(-a2*T)) ...+beta3*(1+exp(-a1*T)))*u(k-1)+K1*K2*(beta1*exp(-(a1+a2)*T)+beta2*exp( -a2*T)+ ...beta3*exp(-a1*T))*u(k-2) ;y(k-2)=y(k-1);y(k-1)=y(k);u(k-2)=u(k-1);u(k-1)=u(k);endy=(y+H20-H2SpanLo)/(H2SpanHi-H2SpanLo)*100;y2sp=H2set_percent*ones(size(y'));u=(u+0.5)*100;Hlevel(:,1)=y;Hlevel(:,2)=y;y1=y;y2=y;textPositionH1=max(Hlevel(:,1));textPositionH2=max(Hlevel(:,2));H2Steady=Hlevel(size(Hlevel(:,1),1),1)*ones(size(y1'));xmax=max(0:T:tend);xmin=0;ymax=90;ymin=50;scrsz = get(0,'ScreenSize');gca=figure('Position',[5 10 scrsz(3)-10 scrsz(4)-90]) %gca=figure('Position',[5 10 scrsz(3)/2 scrsz(4)/1.5])set(gca,'Color','w');plot(0:T:tend,Hlevel(:,1),'b','LineWidth',2)hold onplot(0:T:tend,y2sp,'k','LineWidth',2)line([tend/2 tend/2+27],[(ymax-ymin)/2+ymin-(ymax-ymin)/6(ymax-ymin)/2+ymin-(ymax-ymin)/6],'Color','b','LineWidth',6)text(tend/2+27,(ymax-ymin)/2+ymin-(ymax-ymin)/6,' 第二个水箱的液位H2','FontSize',16)line([tend/2 tend/2+27],[(ymax-ymin)/2+ymin-(ymax-ymin)/4.2 (ymax-ymin)/2+ymin-(ymax-ymin)/4.2],'Color','k','LineWidth',6)text(tend/2+27,(ymax-ymin)/2+ymin-(ymax-ymin)/4.2,' 第二个水箱的液位给定值','FontSize',16)axis([xmin xmax ymin ymax]);text(tend/5,ymax+1.5,' 实验三 PID数字控制器控制效果','FontSize',22) grid结果：三实验内容 2（1）针对实验二的第一部分内容，利用Simulink 建立该系统，取K P = 1.78 ，T i = 85s,ΔH2 s =0，ΔQd = 0.05 ，进行仿真实验，观察响应曲线。
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3
昆明理工大学电力工程学院学生实验报告实验课程名称：控制系统仿真实验开课实验室：年月日实验一 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 I=Vs/(R1+R2)U1=R1*I U2=R2*II=2A, U1=6V , U2=14V（2）通过KCL 和KVL 求解电流和电压 I1=I2Vs+U1+U2=0I=2A, U1=6V , U2=14V四、编写M文件进行电路求解（1）M文件源程序u=20;r=[3,7];i=20/(r(1,2)+r(1,1))u1=3*iu2=7*i（2）M文件求解结果五、用simulink进行仿真建模（1）给出simulink下的电路建模图电流波形电压v1波形电压v2波形六、结果比较与分析由上可知用M文件进行电路求解与用simulink进行仿真建模所得结果为一致，所以所求结果为正确的。
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。
三、实验原始数据上机编写拉格朗日插值算法的程序，并以下面给出的函数表为数据基础，在整个插值区间上采用拉格朗日插值法计算(0.6)f，写出程序源代码，输出计算结果：四、拉格朗日插值算法公式及流程框图输出x,y五、程序代码function y=lag(xi,yi,x);n=length(xi);c=x;s=0;for k=1:np=1;for j=1:nif j~=kp=p*(c-xi(j))/(xi(k)-xi(j));endends=p*yi(k)+s;endy=s;disp(x);六、计算结果(0.6)f=0.0201实验三动态电路的建模及仿真一、实验目的1．了解动态电路的理论，掌握动态电路建模的基本原理；2．熟悉MATLAB的Simulink模块，并掌握使用模块搭建过程。
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：进一步掌握数值积分法；进一步掌握MA TLAB 软件的使用方法。
二、实验设备：数字计算机，MA TLAB 软件三、实验预备：（1）将传递函数化为一阶微分方程组（即状态方程）；令1y y = ，2y y = ，则11222140.6()102722.06y y y y y x t y y y=⎧⎪=⎨⎪=---⎩ 写作矩阵形式：11220100001022.06271040.6y y y y y y ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （2）分别写出四种方法的计算公式；令12y Y y y ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦, 01000122.062710A ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥---⎣⎦ ,0040.6C ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ , 则可化为Y AY C =+① 欧拉法：Y(i+1)=Y(i)+(A*Y(i)+C)*h; ② 改进欧拉法：Yp=Y(i)+(A*Y(i)+C)*hY(i+1)=Y(i)+(A*Y(i)+C+A*Yp+C)*h/2;③ 四阶经典龙格库塔法：k1=A*Y(i)+C;k2=A*(Y(i)+k1*h/5)+C; k3=A*(Y(i)+2*k1*h/5)+C;k4=A*(Y(i)-2*k1*h/5+k2*h)+C;k5=A*(Y(i)+0.3*k1*h+0.5*k4*h)+C;Y(i+1)=Y(i)+(-k1+15*k2-5*k3+5*k4+10*k5)*h/24;④ 四阶亚当姆斯预估校正法：Yp=Y(i)+(55*(A*Y(i)+C)-59*(A*Y(i-1)+C)+37*(A*Y(i-2)+C)-9*(A*Y(i-3)+C))*h/24;Y(i+1)=Y(i)+(9*(A*Yp+C)+19*(A*Y(i)+C)-5*(A*Y(i-1)+C)+(A*Y(i-2)+C))*h/24;（3）理论分析：计算系统特征值。
实验三 将 控制系统典型环节的模拟电路实验
实验三 控制系统典型环节的模拟电路实验一、实验目的与要求(1) 学习典型环节的数学模型的建立，掌握典型环节模拟电路的构成方法。
(2) 学习瞬态性能指标的测试性能。
(3) 了解参数对系统瞬态性能及稳定性的影响。
(4) 利用EWB 软件软件仿真，观察典型环节的阶跃响应曲线，通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。
二、实验设备和仪器计算机（仿真用）软件：EWB三、实验原理和电路：（一）利用运算放大器的基本特性(开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等)，设置不同的反馈网络来模拟各种环节。
典型环节原理方框图及其模拟电路如下： 1、比例环节(P)。
其方框图如图1-1A 所示：其传递函数是：K S Ui S U =)()(0 (1-1)（学习比较模拟电路与方框图传递函数之间的关系） 比例环节的模拟电路图如图1-1B 所示，其传递函数是：10)()(R R S Ui S U = (1-2)比较式(1-1)和(1-2)得 01R R K = (1-3) 当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，S s U i /1)(=，则由式(1-1)得到：SK S U 1)(0∙=所以输出响应为： K U =0 )0(≥tKU i(S)U o(S)图1-1A 比例环节方框图图1-1B 比例环节模拟电路 R 0=200K R 1=100K ;(200K )R 0R 1R R U iU o10K10K+-+-10K100Ko p5o p6(1-4)2、积分环节。
其方框图如图1-2A 所示。
其传递函数为：TSS Ui S U 1)()(0= (1-5)（学习比较模拟电路与方框图传递函数之间的关系） 积分环节的模拟电路图如图1-2B 所示。
积分环节的模拟电路的传递函数为：CSR S Ui S U 001)()(=(1-6)比较式(1-5)和(1-6)得：C R T 0= (1-7)当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，S S U i 1)(=，则由式(1-5)得到：op5op6R 0UoCR 10KU i图1-2B 积分环节模拟电路C=1μf(2μf);R 0=200KR 10K 100K10K--U i(S)U o(S)1TS图1-2A 积分环节方框图2111)(TSSTSS Uo=∙=所以输出响应为：t Tt U o 1)(=(1-8)3、比例积分(PI)环节。
控制系统仿真实验报告
控制系统仿真实验报告班级：测控1402班姓名：王玮学号：072018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=[,]';u=; 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=;u=;Qd=;A=2;a1=;a2=;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=;h=1; U=;h=1;U=;h=1;2 步长h对仿真结果的影响:U=;h=5; U=;h=20;U=;h=39 U=;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姓名：王天雷班级：231142学号：20131004363学院：自动化专业：自动化指导老师：刘峰2017 年 1 月目录7.2.2 (1)7.2.3 (7)7.2.4 (12)7.2.5 (17)7.2.6 (21)7.3.1 (24)总结 (25)7.2.2 控制系统的阶跃响应实验目的：观察学习控制系统的单位阶跃响应 记录单位阶跃响应曲线掌握时间响应分析的一般方法实验内容： 1. 二阶系统1）键入程序，观察并记录单位阶跃响应曲线 First.m close all; clear all; clc;num=[10];den=[1 2 10]; step(num,den); title(‘阶跃响应曲线’);2）键入damp(den) 计算系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率，并记录结果：Eigenvalue （闭环根） Damping （阻尼比） Freq. (rad/s)（无阻尼振荡频率）()102102++=s s sG-1.00e+000 + 3.00e+000i 3.16e-001 3.16e+000 -1.00e+000 - 3.00e+000i 3.16e-001 3.16e+0003）记录实际测取的峰值大小、峰值时间及过渡过程时间，并填表：由理论知识知编写代码x.m%返回峰值时间，超调量，调节时间5%，2% function [tr b ts1 ts2]=x(a,wn) wd=wn*(1-a^2)^0.5;%求解wd tp=3.14/wd;%峰值时间b=exp((-3.14*a/(1-a^2)^0.5));%超调量 ts1=3.5/(wn*a),ts2=4.5/(wn*a);%调节时间 计算得到理论值，填入表中3//πωπ==d p t 4.52%(00.9)3.55%n s n t ζωζζω⎧∆=⎪⎪=<<⎨⎪∆=⎪⎩2 1)修改参数，分别实现和的响应曲线，并记录 程序：second.m clear all; close all; clc;n0=10;d0=[1 2 10];step(n0,d0);%原系统，kesai=0.36 hold on;%保持原曲线n1=n0;d1=[1 6.32 10];step(n1,d1);%kesai=1; n2=n0;d2=[1 12.64 10];step(n2,d2);%kesai=2;如图，kesai 分别为0.36,1,2，曲线幅度递减2）修改参数，分别写出程序实现和的响应曲线，并记录程序：third.m clear all; close all; clc;n0=10;d0=[1 2 10];step(n0,d0);%原系统，wn0=10^0.5 hold on;%保持原曲线n1=0.25*n0;d1=[1 1 n1];step(n1,d1);%wn1=0.5*wn0; n2=4*n0;d2=[1 4 n2];step(n2,d2);%wn2=4*wn0=2;1=ζ2=ζ0121w w n =022w w n =如图，wn=2*wn0,wn0,0.5*wn0，上升时间逐渐增长，超调量不变3. 作出以下系统的阶跃响应，并与原系统响应曲线进行比较，作出相应的实验分析结果（1），有系统零点的情况（2），分子、分母多项式阶数相等（3），分子多项式零次项为零（4），原响应的微分，微分系数为1/10程序：%各系统阶跃响应曲线比较G0=tf([10],[1 2 10]);G1=tf([2 10],[1 2 10]);G2=tf([1 0.5 10],[1 2 10]); G3=tf([1 0.5 0],[1 2 10]);G4=tf([1 0 ],[1 2 10]); step(G0,G1,G2,G3,G4); grid on;title(' Step Response 曲线比较');()10210221+++=s s s s G ()102105.0222++++=s s s s s G ()1025.0222+++=s s s s s G ()10222++=s s s s G4.试做一个三阶系统和四阶系统的阶跃响应，并分析实验结果 假设一个三阶和一个四阶系统，如下sys1=tf([1],[1 1 1 1]);sys2=tf([1],[1 1 1 1 1]);step(sys1,sys2);如图，分别为sys1,sys2系统阶跃响应曲线分析1：系统阻尼比和无阻尼振荡频率对系统阶跃相应的影响11123+++=s s s sys 112234++++=s s s ssys解：在欠阻尼响应曲线中，阻尼比越小，超调量越大，上升时间越短，通常取kesai在0.4到0.8之间，此时超调量适度，调节时间较短；若二阶系统的阻尼比不变，振荡频率不同，其阶跃响应的振荡特性相同但响应速度不同，wn越大，响应速度越快。
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。
控制系统仿真实验技术
控制系统仿真实验技术
控制系统仿真实验技术是利用计算机等设备模拟实际控制系统的运行情况，以便对控制系统进行设计和优化的一种技术。
该技术涉及数学、计算机科学和工程等多个领域，可以应用于航空、航天、化工、电力等众多领域。
在实验室内，可以通过各种传感器、执行机构和测量设备等搭建实验平台，模拟控制系统的运行情况。
同时，采用仿真软件对控制系统进行建模和仿真，以获取系统在不同条件下的性能表现。
通过对仿真结果的分析和优化，可以进一步改进控制系统的设计和性能。
控制系统仿真实验技术具有以下优点：
1. 安全性高：由于仿真实验是在计算机上进行的，不会对实际系统产生任何影响，因此安全性得到了保障。
2. 成本低：仿真实验不需要大量的实物设备和实验材料，因此可以节省大量的实验成本。
3. 灵活性好：仿真实验可以随时随地地进行，不受时间和地点的限制，因此具有很好的灵活性。
4. 可重复性好：仿真实验可以重复进行，方便对实验结果进行对比和分析。
在实际应用中，控制系统仿真实验技术可以用于以下方面：
1. 系统设计和优化：通过仿真实验对控制系统进行设计和优化，提高系统的性能表现。
2. 控制算法研究：通过仿真实验对控制算法进行研究和测试，验证算法的有效性和可行性。
3. 故障诊断和修复：通过仿真实验模拟系统故障情况，对故障进行诊断和修复，提高系统的可靠性和稳定性。
4. 培训和教学：通过仿真实验进行控制系统的培训和教学，提高学员对系统性能和操作方法的了解和掌握程度。
总之，控制系统仿真实验技术是一种重要的工程技术手段，它可以提高系统的性能表现、降低成本、缩短研发周期，对于实际生产和生活的应用具有重要的意义。
控制系统仿真分析
控制系统仿真分析控制系统仿真是一种基于数学模型和仿真算法的技术手段，用于模拟和分析实际控制系统的行为和性能。
它可以帮助工程师设计和优化控制系统，评估不同控制策略的效果，并进行故障诊断和可靠性分析。
控制系统仿真的分析过程通常包括建模、仿真和结果分析等环节。
本文将以图形用户界面(GUI)为工具，探讨控制系统仿真的分析过程。
首先，建模是控制系统仿真的基础。
在建模过程中，需要将实际控制系统抽象为数学模型，其中包括系统的输入、输出和状态变量之间的关系。
常用的数学模型包括差分方程、微分方程、状态空间模型等。
针对不同的系统，可以使用不同的建模方法，如基于物理方程、理论模型或实验数据等。
通过图形界面工具，可以直观地绘制控制系统的结构图，设置各个参数和方程，从而完成系统的建模工作。
其次，仿真是分析控制系统行为和性能的核心环节。
在仿真过程中，通过输入给定的激励信号，模拟系统的输出响应，并记录系统的状态变化。
这是一个动态的过程，需要计算机运行仿真算法，根据系统的数学模型逐步计算系统的状态和输出。
通过图形界面工具，可以方便地设置仿真的时间长度、采样周期和仿真步数，以及图形界面显示结果等。
同时，图形界面还可以提供交互式的界面，供用户实时调整控制参数、改变激励信号等，以观察不同参数和信号对系统响应的影响。
最后，结果分析是控制系统仿真的关键环节。
通过分析仿真结果，可以评估系统的稳定性、动态响应、鲁棒性等性能指标，并进行性能优化。
结果分析可以通过图形界面显示系统的时域、频域和状态轨迹等图形，直观地观察系统的行为。
同时，图形界面还可以提供数据处理和统计分析的功能，如计算稳态误差、峰值偏差、超调量和稳定时间等指标。
通过图形界面工具，可以实现结果的可视化呈现，以便工程师进行决策和优化。
总之，控制系统仿真的分析过程可以通过图形用户界面(GUI)实现。
通过图形界面工具，工程师可以方便地进行系统的建模、仿真和结果分析，从而更加高效地设计和优化控制系统。
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。
控制系统的仿真与实验设计
控制系统的仿真与实验设计控制系统是现代工程中的关键组成部分，它能够实现对各种系统实现准确控制和稳定运行。
仿真与实验是控制系统设计的重要环节，通过对系统进行仿真和实验的设计，可以有效验证和验证控制系统的性能和稳定性。
本文将探讨控制系统仿真与实验设计的相关内容。
一、控制系统仿真的概念和意义控制系统仿真是使用计算机来模拟和分析控制系统的行为和特性的过程。
仿真可以帮助工程师在实际制造控制系统之前进行虚拟的测试和优化，从而降低实验成本和风险。
仿真的结果可以提供对系统性能和稳定性的评估，并为控制系统设计提供重要的参考。
二、控制系统仿真的方法和工具1. 数学建模：仿真过程中首先需要将控制系统的动态方程以数学模型的形式进行描述和建模。
通常使用微分方程、差分方程、传递函数等数学工具来建立系统模型。
2. 仿真软件：控制系统仿真通常使用专业的仿真软件，如MATLAB/Simulink、LabVIEW等。
这些软件提供了丰富的控制器和系统模块，可以快速搭建和模拟控制系统，并提供丰富的可视化和数据分析功能。
3. 参数调整和优化：仿真过程中可以通过调整控制系统模型中的参数，来测试不同参数下的系统性能和稳定性。
通过优化算法，可以自动搜索最佳参数集合，以实现控制系统性能的最优化。
三、控制系统实验设计的要点和步骤1. 实验目标和需求：实验设计前需明确实验的目标和需求。
例如，验证控制系统的性能、分析系统的稳定性、测试不同控制算法的效果等。
2. 实验平台的选择：根据实验的目标和需求，选择合适的实验平台。
可以使用实际控制设备，也可以使用仿真软件等。
3. 实验方案设计：设计实验的具体方案，包括控制系统的组成、传感器和执行器的选择、实验参数设置等。
此外，还需考虑安全性和稳定性等因素。
4. 实验数据采集和分析：在进行实验时，需要采集和记录实验数据，例如控制输入、输出响应等。
通过数据分析可以评估控制系统的性能和稳定性，并进行后续优化。
5. 实验结果和总结：根据实验数据的分析结果，对实验结果进行总结和评估。
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实验三控制系统仿真分析
一、实验目的和要求：
1、通过Matlab求取系统的零极点增益模型直接获得系统的零极点，对控制系统的稳定性及是否为最小相位系统作出判断；
2、控制系统的典型分析方法（时域、频域分析）是目前控制系统界进行科学研究的主要方法，是进行控制系统设计的基础，要求熟练掌握Matlab单位阶跃响应、波特图等常用命令的使用；
3、根轨迹分析是求解闭环特征方程根的简单的图解方法，要求熟练掌握Matlab根轨迹的绘制。
二、实验内容：
1、控制系统稳定性分析
（1）代数法稳定性判据：（用求分母多项式的根和routh函数两种方法）
已知系统的开环传递函数为：
试对系统闭环判别其稳定性
（2）根轨迹法判断系统稳定性：
已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：
试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置，并判断在该点系统闭环的稳定性。
（3）Bode图法判断系统稳定性：
已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：
;
用Bode图法判断系统闭环的稳定性。
2、系统分析方法
（1）时域分析
①根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并从图上读取最大超调量，绘制系统的单位脉冲响应、零输入响应曲线。
②典型二阶系统传递函数为：
当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的单位阶跃响应。
③典型二阶系统传递函数为：
当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的单位阶跃响应。
（2）频域分析
①典型二阶系统传递函数为：
当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的伯德图
②典型二阶系统传递函数为：
当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的伯德图。
3、古典控制系统设计——根轨迹法分析
（1）根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定的K值范围。
（2）设单位负反馈系统的开环传递函数为：
试确定带惯的PD控制器的串联超前校正参数，使之满足：（1）阶跃响应的超调量：σ≤30%；
（2）阶跃响应的超调时间：t s≤0.8s(Δ=0.2)。
三、预习要求：
利用所学知识，编写实验内容中的相应程序。