实验六 离散控制系统Simulink仿真与状态反馈控制器的设计
MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告
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MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告MATLAB/Simulink与控制系统仿真实验报告姓名:喻彬彬学号:K031541725实验1、MATLAB/Simulink仿真基础及控制系统模型的建立一、实验目的1、掌握MATLAB/Simulink仿真的基本知识;2、熟练应用MATLAB软件建立控制系统模型。
二、实验设备电脑一台;MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、熟悉MATLAB/Smulink仿真软件。
2、一个单位负反馈二阶系统,其开环传递函数为G(s)10。
用Simulink建立该s23s控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
3、某控制系统的传递函数为Y(s)G(s)s50。
用Simulink建其中G(s)2X(s)1G(s)2s3s立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
4、一闭环系统结构如图所示,其中系统前向通道的传递函数为20,而且前向通道有一个[-,]的限幅环节,图中用N 表G(s)s12s20s示,反馈通道的增益为,系统为负反馈,阶跃输入经倍的增益作用到系统。
用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
四、实验报告要求实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
1题1、利用Simulink的Library窗口中的【File】→【New】,打开一个新的模型窗口。
分别从信号源库、输出方式库、数学运算库、连续系统库中,用鼠标把阶跃信号发生器、示波器、传递函数和相加器4个标准功能模块选中,并将其拖至模型窗口。
MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告
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MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告MATLAB/Simulink与控制系统仿真实验报告姓名:喻彬彬学号:K031541725实验1、MATLAB/Simulink仿真基础及控制系统模型的建立一、实验目的1、掌握MATLAB/Simulink仿真的基本知识;2、熟练应用MATLAB软件建立控制系统模型。
二、实验设备电脑一台;MATLAB仿真软件一个三、实验内容1、熟悉MATLAB/Smulink仿真软件。
2、一个单位负反馈二阶系统,其开环传递函数为G(s)10。
用Simulink建立该s23s控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
3、某控制系统的传递函数为Y(s)G(s)s50。
用Simulink建其中G(s)2X(s)1G(s)2s3s立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
4、一闭环系统结构如图所示,其中系统前向通道的传递函数为20,而且前向通道有一个[-,]的限幅环节,图中用N 表G(s)s12s20s示,反馈通道的增益为,系统为负反馈,阶跃输入经倍的增益作用到系统。
用Simulink建立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
四、实验报告要求实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
1题1、利用Simulink的Library窗口中的【File】→【New】,打开一个新的模型窗口。
分别从信号源库、输出方式库、数学运算库、连续系统库中,用鼠标把阶跃信号发生器、示波器、传递函数和相加器4个标准功能模块选中,并将其拖至模型窗口。
离散系统的Simulink仿真
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电子科技大学学院学生实验报告院别:电子信息学院课程名称:信号与系统实验一、实验目的1.掌握离散系统Simulink的建模方法。
2.掌握离散系统时域响应、频域响应的Simulink仿真方法。
二、实验原理离散系统的Simulink建模、仿真方法与连续系统相似,其系统模型主要有z域模型、传输函数模型和状态空间模型等形式。
现采用图1的形式建立系统仿真模型,结合如下仿真的命令,可得到系统的状态空间变量、频率响应曲线、单位阶跃响应和单位冲激响应的波形。
图1 系统响应Simulink仿真的综合模型仿真命令:[A,B,C,D]=dlinmod〔‘模型文件名’〕%求状态空间矩阵,注意:‘模型文件名’不含扩展名dimpulse(A,B,C,D) %求冲激响应dimpulse(A,B,C,D,1,N1:N2) %求k=N1~N2区间〔步长为1〕的冲激响应dimpulse(A,B,C,D,1,N1:△N: N2) %求冲激响应在k=N1~N2区间〔步长为△N〕的局部样值dstep(A,B,C,D) %求阶跃响应dstep(A,B,C,D,1,N1:△N:N2)dbode(A,B,C,D,Ts ) %求频率响应〔频率围:Ts~πω=,即π~=〕。
Ts为取样周期,一般去Ts=1.dbode(A,B,C,D, Ts ,iu,w:△w:w1)%求频率响应〔频率=围:ω=w~w1,即θ=〔w0~w1〕Ts,△w为频率步长〕;iu为系统输入端口的编号,系统只有一个输入端口时取i u =1.以上命令,可以逐条在MATLAB 命令窗口输入、执行,也可编写成M 文件并运行。
三、实验容1.离散系统时域框图如图2所示。
建立Simulink 模型,求其状态空间矩阵、系统函数、冲激响应、阶跃响应和频率特性。
图2 图32.离散系统z 域框图如图3所示。
建立Simulink 模型,求其状态空间矩阵、系统函数、冲激响应、阶跃响应和频率特性。
3.离散系统差分方程为)2(2)()2(61)1(61)(-+=---+k f k f k y k y k y 。
控制系统仿真实验六simulink
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实验六:Simulin建模与仿真一、实验目的1、掌握Simulink建模与仿真的基本方法。
2、熟悉Simulink基本模块库及主要元件的使用方法。
二、实验学时:4学时三、实验原理:1、Simulink 仿真过程在已知系统数学模型或系统框图的情况下,利用Simulink进行建模仿真的基本步骤如下。
(1)启动Simulink,打开Simulink库浏览器。
(2)建立空白模型窗口。
(3)由控制系统数学模型或结构框图建立Simulink仿真模型。
(4)设置仿真参数,运行仿真。
(5)输出仿真结果。
2、Simulink建模与仿真基本方法根据给定的数学模型或控制系统框图,可建立Simulink仿真模型。
下面以图3-1所示的控制系统框图为例,说明Simulink建模与仿真的基本方法。
图中R 是单位阶跃输入信号,Y为系统输出响应。
建立图6-3所示系统框图的Simulink仿真模型的基本方法如下。
1.启动MATLAB/Simulink工具箱依次启动MATLAB软件、Simulink模块库浏览器后,如图6-1所示。
2.建立Simulink空白模型Simulink空白模型的建立可通过如下方法进行。
1、在MATLAB主窗口中选择【File】→【New】→【Model】命令。
2、在Simulink模块库浏览器窗口中选择【File】→【New】→【Model】命令。
3、单击Simulink模块库浏览器工具栏中的(New model)工具。
图6-1 闭环控制系统框图通过上述方法可以打开Simulink空白模型,如图6-2所示。
并可将其保存为后缀是mdl的文件(Simulink仿真模型的文件存储格式),例如Example_Model.mdl。
在保存Simulink模型文件的时候,为了实现向下兼容,MATLAB R2008/Simulink 7.1允许将模型保存为其他版本的Simulink模型。
图6-2 空白模型窗口3.根据系统框图选择模块构建Simulink仿真模型,首先需要知道所需模块所属的子模块库名称。
离散控制系统中的状态反馈控制
![离散控制系统中的状态反馈控制](https://img.taocdn.com/s3/m/ff00e3cc6429647d27284b73f242336c1eb93000.png)
离散控制系统中的状态反馈控制在离散控制系统中,状态反馈控制是一种常用的控制策略。
它通过测量系统的状态并将其作为反馈信号,采取相应的控制动作来实现系统性能的优化。
本文将介绍离散控制系统中的状态反馈控制原理、设计方法和应用场景。
一、原理状态反馈控制的原理基于系统的状态空间表示。
离散控制系统的状态空间模型可以表示为以下形式:x(k+1) = Ax(k) + Bu(k)y(k) = Cx(k)其中,x(k)为系统在时刻k的状态向量,u(k)为控制输入向量,y(k)为输出向量;A、B、C为系统的矩阵参数。
状态反馈控制的目标是设计一个状态反馈矩阵K,使得控制输入u(k)与系统状态x(k)之间存在一定的线性关系。
即u(k) = -Kx(k)通过选择适当的状态反馈矩阵K,可以实现系统的稳定性、性能和鲁棒性等要求。
二、设计方法状态反馈控制的设计方法通常可以分为全状态反馈和部分状态反馈两种情况。
1. 全状态反馈全状态反馈指的是利用系统的全部状态信息进行控制。
在这种情况下,状态反馈矩阵K的每一个元素都与系统的状态变量相关。
全状态反馈可以实现系统的最优控制,但需要测量系统的全部状态变量,因此在实际应用中可能会受到限制。
2. 部分状态反馈部分状态反馈是指只利用系统的部分状态信息进行控制。
在这种情况下,状态反馈矩阵K的某些元素与系统的状态变量相关,而其他元素设为零。
部分状态反馈可以在减少测量需求的同时实现系统的稳定和性能优化。
状态反馈控制的设计方法通常采用基于稳定极点配置和线性二次型优化的思想。
具体的设计步骤包括:确定系统的状态空间模型,分析系统的稳定性和性能要求,选择适当的稳定极点位置,根据稳定极点位置计算状态反馈矩阵K,验证系统的性能和稳定性。
三、应用场景离散控制系统中的状态反馈控制在工业自动化、机器人控制、飞行器控制等领域有广泛的应用。
1. 工业自动化在工业自动化系统中,状态反馈控制可以实现对生产过程的精确控制。
例如,在温度控制系统中,通过测量系统的温度状态并进行反馈调节,可以实现对温度的精确控制,提高生产过程的稳定性和可靠性。
simulink离散仿真简单实例
![simulink离散仿真简单实例](https://img.taocdn.com/s3/m/56b3670fc950ad02de80d4d8d15abe23482f0306.png)
simulink离散仿真简单实例Simulink是MATLAB的一个工具箱,它提供了一个图形化界面,用于建立和模拟动态系统。
它使用块图的形式表示系统,其中每个块代表系统中的一个组件或功能单元。
这些块可以通过线连接在一起,以表示信号的流动。
通过配置块的参数和连接,可以建立一个完整的系统模型。
在Simulink中进行离散仿真时,时间被划分为离散的步长,系统在每个步长内的行为被模拟。
离散仿真可以用于分析系统在不同时间点的行为,例如系统的稳定性、响应时间等。
接下来,我们将通过一个简单的实例来展示Simulink离散仿真的过程。
假设我们要建立一个简单的温度控制系统,系统包括一个温度传感器、一个控制器和一个加热器。
温度传感器用于测量当前环境温度,控制器根据测量值调整加热器的功率。
在Simulink中创建一个新的模型。
在模型中,我们将使用三个块来表示系统的各个组件:一个输入块用于表示环境温度的输入信号,一个控制器块用于调整加热器的功率,一个输出块用于表示系统的输出信号。
接下来,我们需要配置每个块的参数和连接它们。
输入块可以配置为生成一个随机的环境温度信号,控制器块可以配置为根据测量值输出一个控制信号,输出块可以配置为显示系统的输出信号。
通过连接输入块、控制器块和输出块,我们可以建立一个完整的系统模型。
在配置完模型后,我们可以设置仿真参数。
例如,我们可以设置仿真的时间范围、步长等参数。
然后,我们可以运行仿真并观察系统的行为。
通过仿真结果,我们可以分析系统的稳定性、响应时间等性能指标。
通过这个简单的实例,我们可以看到Simulink离散仿真的基本过程。
首先,我们建立一个系统模型,然后配置各个组件的参数和连接它们。
最后,我们设置仿真参数并运行仿真来分析系统的行为。
Simulink离散仿真可以应用于各种实际问题的建模和分析。
例如,它可以用于分析控制系统的性能、优化电路设计、评估通信系统的可靠性等。
通过Simulink离散仿真,我们可以更好地理解和改善系统的行为。
Simulink方法及仿真实验
![Simulink方法及仿真实验](https://img.taocdn.com/s3/m/a0ea990702020740be1e9bca.png)
《现代机械工程基础实验》之机械工程控制基础综合实验报告姓名学号班级山东建筑大学机电工程学院2012.06.04~06第二部分Simulink方法及仿真实验一、开环系统1、如图所示,开环系统是积分环节的开环系统。
当输入信号分别是方波信号和正弦信号时,分析输出信号的波形。
积分环节的特点是输出量为输入量对时间的累积,输出幅值呈线性增长。
经过时间的累积后,当输入信号为零时,输出量不再增加且该值保持不变,即是具有记忆的功能。
(a)输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析:当输入信号时方波信号时,输出信号等于对方波信号时间的累积。
当方波信号在高电位时,输出为线性增长;当方波信号在零电位时,输出信号不增加,并且是保持不变的,因此是一条直线,在时间的积累下,输出信号就是如图所示的波形。
(b) 输入信号是正弦信号输入信号波形图输出信号波形图分析:当输入信号时正弦波信号时,输出信号也是输入信号对时间的累积。
当正弦波在上半部分时,输出信号不断增大;当在1/2周期时,输出信号达到最大值;当正弦波在下半周期时,输出信号因为对负值的不断累积而减小,在一个周期时为0。
因为可以得出输出信号的波形图如上图所示。
2、如图所示,开环系统是一阶惯性环节的开环系统。
当输入信号分别是方波信号和正弦信号时,分析输出信号的波形。
一阶惯性环节逇输出需要延迟一段时间才能够接近所要求的输出量,但是它也是从输入开始的时候就有了输出。
如图所示的一阶惯性环节,因此输出量的最大值应该时输出量的1/2。
(a)输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析:当输入信号是方波信号时,输出量一开始就有了,且从0开始逐渐增大,当达到1/2周期时,输出量达到了最大值;当方波信号为零电位时,输出量有不断减小,在一个周期时变为0,如此周期变化下去,因此可以得到输出信号的波形图如图所示。
(b)输入信号是阶跃信号输入信号波形图输出信号波形图分析:当输入信号是阶跃信号时,在输入信号时零电位时,输出量为0;当输入信号阶跃变为高电位时,输出信号不立刻变化,而是缓慢的变化达到最大值,最后保持不变。
SIMULINK仿真基础之离散时间系统分析
![SIMULINK仿真基础之离散时间系统分析](https://img.taocdn.com/s3/m/10ea38de50e79b89680203d8ce2f0066f53364b2.png)
动态性能分析
动态性能分析主要关注离散 时间系统在输入信号的作用 下,系统状态随时间变化的
特性。
动态性能可以通过系统的传 递函数或状态方程进行分析 ,常用的性能指标包括系统 的超调和调节时间、上升时
间、峰值时间等。
根据系统要求,确定优化设计的性能指标,如响 应速度、稳定性、鲁棒性等。
仿真验证
通过Simulink等仿真工具对优化后的系统进行 仿真验证,评估性能指标是否满足要求。
离散时间系统优化设计的结果评估
性能指标对比 参数灵敏度分析
可行性分析 综合评估
将优化后的系统性能指标与原始系统进行对比,评估优化的效 果。
除了极点位置,系统的稳定性还可以通过其他方法进行判断,如劳斯-赫尔维茨准则和庞德里亚金稳定性 定理等。
收敛性分析
收敛性分析主要关注离散时间系统在迭代过程中是否能够收敛到某个固定 点或稳定状态。
收敛速度与系统的收敛阶数有关,收敛阶数越高,收敛速度越快。收敛阶 数可以通过系统的迭代公式或矩阵特征值来计算。
离散时间系统的特点
离散时间信号只在离散的时间点上取值。
离散时间系统的动态行为由差分方程描述。
离散时间系统的稳定性分析通常采用Z变换和差分 方程的方法。
离散时间系统的应用场景
数字信号处理
数字滤波器、数字控制系统等。
计算机控制系统
计算机控制系统中的离散时间模型。
通信系统
数字通信、调制解调等。
数字图像处理
可编程逻辑器件(PLD)
可编程逻辑器件是一种用户可编程的集成电路,如FPGA和CPLD。它们能够实 现各种数字逻辑和组合逻辑功能,适用于大规模离散时间系统的实现。
实验六 SIMULINK 仿真
![实验六 SIMULINK 仿真](https://img.taocdn.com/s3/m/d1f323202af90242a995e50e.png)
实验六 SIMULINK 仿真
一、实验目的
学习使用SIMULINK 进行系统仿真的方法
二、实验内容:
1、Simulink 的基本操作
(1)运行Simulink
(2)常用的标准模块
(3)模块的操作
2、系统仿真及参数设置
(1)算法设置(Solver)
(2)工作空间设置(Workspace I/O)
3、已知系统结构图如下
图.含饱和非线性环节系统方框图
已知输入为信号电平从1~6,非线性环节的上下限为±1,取步长h=0.1,仿真时间为10秒,试绘制系统的响应曲线。
4
、PID 控制系统的结构如图所示,试设计串联补偿器,使系统速度稳态误差小于10%,相角裕量PM=45º,并对系统进行仿真。
图 典型PID 控制系统结构图
三、预习要求:
利用所学知识,熟悉实验内容中1到2的相应内容,编写实验内容中3、4 的相应程序,并写在预习报告上。
MATLABSimulink与控制系统仿真实验报告
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MATLAB/Simulink 与控制系统仿真实验报告姓名:喻彬彬学号:K031541725实验1、MATLAB/Simulink 仿真基础及控制系统模型的建立一、实验目的1、掌握MATLAB/Simulink 仿真的基本知识;2、熟练应用MATLAB 软件建立控制系统模型。
二、实验设备电脑一台;MATLAB 仿真软件一个三、实验内容1、熟悉MATLAB/Smulink 仿真软件。
2、一个单位负反馈二阶系统,其开环传递函数为210()3G s s s =+。
用Simulink 建立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
3、某控制系统的传递函数为()()()1()Y s G s X s G s =+,其中250()23s G s s s+=+。
用Simulink 建立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
4、一闭环系统结构如图所示,其中系统前向通道的传递函数为320.520()0.11220s G s s s s s+=+++g ,而且前向通道有一个[-0.2,0.5]的限幅环节,图中用N 表示,反馈通道的增益为1.5,系统为负反馈,阶跃输入经1.5倍的增益作用到系统。
用Simulink 建立该控制系统模型,用示波器观察模型的阶跃响应曲线,并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中,在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。
四、实验报告要求实验报告撰写应包括实验名称、实验内容、实验要求、实验步骤、实验结果及分析和实验体会。
五、实验思考题总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。
题1、(1)利用Simulink的Library窗口中的【File】→【New】,打开一个新的模型窗口。
(2)分别从信号源库(Sourse)、输出方式库(Sink)、数学运算库(Math)、连续系统库(Continuous)中,用鼠标把阶跃信号发生器(Step)、示波器(Scope)、传递函数(Transfern Fcn)和相加器(Sum)4个标准功能模块选中,并将其拖至模型窗口。
MATLAB Simulink中的离散系统模块
![MATLAB Simulink中的离散系统模块](https://img.taocdn.com/s3/m/037b134ef7ec4afe04a1dfc7.png)
表一
4、离散系统仿真
【例2 】控制部分为离散环节,被控对象为两个连续环节,其中一个有反馈环, 反馈环引入了零阶保持器,输入为阶跃信号。 创建模型并仿真: (1)选择两个“Scope”模块,选择一 个“Gain”模块,在“Discrete”模块库选择一个 “Discrete Filter ”和一个“Zero-Order Hold ”模块。 (2) 连接模块,将反馈环的“Gain”模块和“Zero-Order Hold ”模块翻转。 (3) 设置参数,“Discrete Filter”和“Zero-Order Hold ”模块的“Sample time”都设置 为0.1s。 (4) 添加文本注释,系统框图如图所示。
创建一个正弦信号的仿真模型3在上图的右侧子模块窗口中单击source子模块库前的或双击source或者直接在左侧模块和工具箱栏单击simulink下的source子模块库便可看到各种输入源模块6在untitled窗口中用鼠标指向sinewave右侧的输出端当光标变为十字符时按住鼠标拖向scope模块的输入端松开鼠标按键就完成了两个模块间的信号线连接一个简单模型已经建成
3、Simulink 的基本模块
Simulink 的基本模块包括几个子模块库。
(1)输入信号源模块库(Sources) (2)接收模块库(Sinks) (3)连续系统模块库(Continuous) (4)离散系统模块库(Discrete) (5)离散系统模块是用来构成离散系统的环节,常用的离散系统模块如表一所示
(5) 设置颜色,Simulink 为帮助用户方便地跟踪不同采样频率的运作范围和信号 流向,可以采用不同的颜色表示不同的 采样频率,选择菜单“Format ”→ “Sample time color”,就可以看到不同采样频率的模块颜色不同。 (6) 开始仿真,在Simulink 模型窗口,选择菜单“Simulation”? “Simulation parameters…”,将“Max step size”设置 为0.05s,则两个示波器“Scope”和 “Scope1”的显示如图五 所示
状态反馈控制器的设计
![状态反馈控制器的设计](https://img.taocdn.com/s3/m/52c9f560182e453610661ed9ad51f01dc3815761.png)
状态反馈控制器的设计状态反馈控制器是一种常见的控制器设计方法,用于调节系统的动态响应和稳定性。
它通过测量系统的输出和状态,并将这些信息与期望输出进行比较,来计算出控制器的控制输入。
接下来,我将介绍状态反馈控制器的基本原理、设计步骤和两个常见的设计方法。
状态反馈控制器的基本原理是基于系统的状态反馈,即通过系统的状态变量来进行控制。
在状态反馈控制器的设计中,首先需要确定系统的状态方程或状态空间表达式。
状态方程描述了系统的状态变化关系,通常使用微分方程或差分方程表示。
状态空间表达式则是将系统的状态方程转换为矩阵形式,以便于计算和分析。
设计一个状态反馈控制器包括以下步骤:1.系统建模:首先需要建立系统的数学模型,确定系统的输入、输出和状态变量。
这可以通过物理建模、数学建模或实验数据分析等方法来完成。
系统的模型可以是连续时间模型,也可以是离散时间模型。
2.系统稳定性分析:通过分析系统的特征值或极点,判断系统的稳定性。
如果系统的特征值都位于单位圆内或实部小于零,则系统是稳定的。
3.设计目标确定:根据系统的性能要求和目标,确定设计的指标,例如系统的快速响应、稳定性、误差补偿等。
4.控制器设计:根据系统的状态方程和控制目标,使用控制理论和方法,设计控制器的增益矩阵。
常用的设计方法有极点配置法和最优控制方法。
5.系统闭环仿真:将设计好的控制器与系统模型相连,进行闭环仿真,检验系统在不同工况和干扰下的响应性能。
可以通过调整控制器的参数来优化系统的性能。
接下来,我将介绍两种常见的状态反馈控制器设计方法:极点配置法和最优控制方法。
1.极点配置法:该方法通过选择恰当的状态反馈增益矩阵,使系统的极点移动到预定位置。
首先需要确定期望的系统极点位置,然后使用反馈增益矩阵的公式进行计算和调整。
极点配置法的优点是设计简单,但对系统的模型和性能要求较高。
2.最优控制方法:该方法是基于最优控制理论,对系统的控制性能进行优化设计。
最优控制方法通常需要确定一个性能指标,例如系统的能量消耗、误差最小化等,然后使用最优化算法来计算最优的控制器增益矩阵。
状态反馈控制系统的设计与实现
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控制工程学院课程实验报告:现代控制理论课程实验报告实验题目:状态反馈控制系统的设计与实现班级自动化(工控)姓名曾晓波学号2009021178 日期2013-1—6一、实验目的及内容实验目的:(1 )掌握极点配置定理及状态反馈控制系统的设计方法;(2 )比较输出反馈与状态反馈的优缺点;(3 )训练Matlab程序设计能力。
实验内容:(1 )针对一个二阶系统,分别设计输出反馈和状态反馈控制器;(2 )分别测出两种情况下系统的阶跃响应;(3 )对实验结果进行对比分析。
二、实验设备装有MATLAB的PC机一台三、实验原理一个控制系统的性能是否满足要求,要通过解的特征来评价,也就是说当传递函数是有理函数时,它的全部信息几乎都集中表现为它的极点、零点及传递函数。
因此若被控系统完全能控,则可以通过状态反馈任意配置极点,使被控系统达到期望的时域性能指标。
闭环系统性能与闭环极点(特征值)密切相关,在状态空间的分析和综合中,除了利用输出反馈以外,主要利用状态反馈来配置极点,它能提供更多的校正信息.(一) 利用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件是:受控系统可控。
设SIMO (Single Input —Multi Output )受控系统的动态方程为状态向量x 通过状态反馈矩阵k ,负反馈至系统参考输入v ,于是有这样便构成了状态反馈系统,其结构图如图1-1所示图1—1 SIMO 状态反馈系统结构图状态反馈系统动态方程为闭环系统特征多项式为()()f I A bk λλ=-+ (1—2) x b v u 1s C A k-y x设闭环系统的期望极点为1λ,2λ,…,n λ,则系统的期望特征多项式为)())(()(21*n f λλλλλλλ---= (1—3) 欲使闭环系统的极点取期望值,只需令式(1—2)和式(1-3)相等,即)()(*λλf f = (1-4) 利用式(1-4)左右两边对应λ的同次项系数相等,可以求出状态反馈矩阵 []n k k k 21=k(二) 对线性定常连续系统∑(A ,B ,C ),若取系统的输出变量来构成反馈,则所得到的闭环控制系统称为输出反馈控制系统。
Simulink系统仿真课程设计
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Simulink系统仿真课程设计一、课程目标知识目标:1. 学生能理解Simulink的基本原理和功能,掌握Simulink的常用模块及其使用方法。
2. 学生能运用Simulink构建数学模型,实现对动态系统的仿真和分析。
3. 学生能掌握Simulink与MATLAB的交互操作,实现数据传递和模型优化。
技能目标:1. 学生具备运用Simulink进行系统仿真的能力,能独立完成简单系统的建模和仿真。
2. 学生能通过Simulink对实际工程问题进行分析,提出解决方案,并验证其有效性。
3. 学生具备团队协作能力,能与他人合作完成复杂系统的仿真项目。
情感态度价值观目标:1. 学生对Simulink系统仿真产生兴趣,提高对工程学科的认识和热爱。
2. 学生在仿真实践中,培养严谨的科学态度和良好的工程素养。
3. 学生通过课程学习,增强解决实际问题的信心,形成积极向上的学习态度。
课程性质:本课程为实践性较强的学科,结合理论知识,培养学生运用Simulink进行系统仿真的能力。
学生特点:学生具备一定的MATLAB基础,对Simulink有一定了解,但实际操作能力较弱。
教学要求:注重理论与实践相结合,强化动手能力训练,培养学生解决实际问题的能力。
在教学过程中,关注学生的个体差异,因材施教,提高学生的综合素质。
通过课程学习,使学生能够独立完成系统仿真项目,并为后续相关课程打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分:1. Simulink基础操作与建模- 熟悉Simulink环境,掌握基本操作。
- 学习Simulink常用模块,如数学运算、信号处理、控制等模块。
- 结合教材章节,进行实际案例分析,让学生了解Simulink建模的基本过程。
2. 系统仿真与分析- 学习Simulink仿真参数设置,掌握仿真算法和步长设置。
- 利用Simulink对动态系统进行建模与仿真,分析系统性能。
- 结合实际案例,让学生通过仿真实验,掌握系统性能分析方法。
simulink离散化系统仿真设计
![simulink离散化系统仿真设计](https://img.taocdn.com/s3/m/089f7ef6aeaad1f346933f61.png)
已知仿真条件为:G C(s)=k×(T3s+1),其中T1=18,T2=0.035,T3=0.15s T1s+1(T2s+1)。
可得传递函数G c(s)=1500s+10000063s+1835s+100将S域的传递函数转换的Z域,打开matlab软件,创建一个m文件程序如下:%transfer functionsys=tf([15000 100000],[63 1835 1000]);%discretets=1;%²ÉÑùʱ¼ädsys=c2d(sys,ts,'z');%ת»¯Îª²î·Ö·½³Ì%extract[num,den]=tfdata(dsys,'v');运行dsys>> dsysTransfer function:46.36 z - 3.738--------------------------z^2 - 0.5738 z + 2.24e-013得到Z域的传递函数为:G c(z)=46.36z±3.738z2−0.5738z+2.24e−13打开matlab软件中的simulink模块,创建一个.mdl文件。
搭建离散化的仿真原理图如下:下面进行PID整定,常用PID整定方法有:⒈稳定边界法⒉4:1衰减法⒊鲁棒法⒋ISTE最优参数整定法。
边界稳定法和4:1衰减法调节时间快,上升时间短,鲁棒法和ISTE最优参数整定法超调量小,调节过程平衡,鲁棒性好。
4:1衰减法有一定局限性,鲁棒性差;iste法调节时间长,调节参数偏保守。
本文中采用稳定边界法来整定PID参数。
在闭环系统下首先将PIDcontrol 调节为纯P调节器,逐渐增大P参数,观察输出波形,记录此时波形。
MATLAB Simulink系统建模与仿真 实验报告
![MATLAB Simulink系统建模与仿真 实验报告](https://img.taocdn.com/s3/m/613e06a065ce05087632135b.png)
MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真实验报告姓名:******专业:电气工程及其自动化班级:*******************学号:*******************实验一无穷大功率电源供电系统三相短路仿真1.1 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建运行MATLAB软件,点击Simulink模型构建,根据电路原理图,添加下列模块:(1)无穷大功率电源模块(Three-phase source)(2)三相并联RLC负荷模块(Three-Phase Parallel RLC Load)(3)三相串联RLC支路模块(Three-Phase Series RLC Branch)(4)三相双绕组变压器模块(Three-Phase Transformer (Two Windings))(5)三相电压电流测量模块(Three-Phase V-I Measurement)(6)三相故障设置模块(Three-Phase Fault)(7)示波器模块(Scope)(8)电力系统图形用户界面(Powergui)按电路原理图连接线路得到仿真图如下:1.2 无穷大功率电源供电系统仿真参数设置1.2.1 电源模块设置三相电压110kV,相角0°,频率50Hz,接线方式为中性点接地的Y形接法,电源电阻0.00529Ω,电源电感0.000140H,参数设置如下图:1.2.2 变压器模块变压器模块参数采用标幺值设置,功率20MVA,频率50Hz,一次测采用Y型连接,一次测电压110kV,二次侧采用Y型连接,二次侧电压11kV,经过标幺值折算后的绕组电阻为0.0033,绕组漏感为0.052,励磁电阻为909.09,励磁电感为106.3,参数设置如下图:1.2.3 输电线路模块根据给定参数计算输电线路参数为:电阻8.5Ω,电感0.064L,参数设置如下图:1.2.4 三相电压电流测量模块此模块将在变压器低压侧测量得到的电压、电流信号转变成Simulink信号,相当于电压、电流互感器的作用,勾选“使用标签(Use a label)”以便于示波器观察波形,设置电压标签“Vabc”,电流标签“Iabc”,参数设置如下图:1.2.5 故障设置模块勾选故障相A、B、C,设置短路电阻0.00001Ω,设置0.02s—0.2s发生短路故障,参数设置如下图:1.2.6 示波器模块为了得到仿真结果准确数值,可将示波器模块的“Data History”栏设置为下图所示:1.3 无穷大功率电源供电系统仿真结果及分析得到以上的电力系统参数后,可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小,短路电流周期分量的幅值为Im=10.63kA,时间常数Ta=0.0211s,则短路冲击电流为Iim=17.3kA。
论控制系统设计的SIMULINK仿真实验.pptx
![论控制系统设计的SIMULINK仿真实验.pptx](https://img.taocdn.com/s3/m/6472c28d10661ed9ac51f31d.png)
实验四 控制系统设计的SIMULINK仿真实验
一. 实验目的:
1.学习控制系统工具箱Simulink; 2.建立SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联超前校正实验; 3.建立SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联滞后校正实验。
2
二.实验原理
串联校正装置
R(s)
C(s)
Gc (s)
。2020年11月13日星期五上午10时5分58秒10:05:5820.11.13
• 15、会当凌绝顶,一览众山小。2020年11月上午10时5分20.11.1310:05November 13, 2020
• 16、如果一个人不知道他要驶向哪头,那么任何风都不是顺风。2020年11月13日星期五10时5分58秒10:05:5813 November 2020
10
(4)打开Simulinks的Sinks模块库添加Scope模块, 并按如图连线,双击Scope模块,仿真曲线如图。
观察响应曲线,读取性能指标参数。
11
1. 串联超前校正实验
R(s)
10
C(s)
1.设控制系统如图所示:
- s(0.8s 1)
加串联超前校正装置为
Gc
(s)
(0.4s) (0.1s 1)
•
T H E E N D 17、一个人如果不到最高峰,他就没有片刻的安宁,他也就不会感到生命的恬静和光荣。上午10时5分58秒上午10时5分10:05:5820.11.13
谢谢观看
G1=zpk(z2,p2,k2);
bode(G1);
14
2. 串联滞后校正实验
① 设控制系统如图所示:
R(s)
20
C(s)
自动控制原理simulink实验指导
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自动控制原理上机实验指导书王芳、杨志超编写南京工程学院电力工程学院二〇〇七年二月目录Simulink仿真集成环境简介 (2)实验一典型环节的性能分析 (11)实验二二阶系统的性能分析 (14)实验三自动控制系统的稳定性和稳态误差分析 (17)实验四自动控制系统根轨迹的分析 (22)实验五自动控制系统的频域分析 (27)实验六控制系统的校正及设计 (32)实验七非线性系统的稳定性分析 (39)Simulink仿真集成环境简介Simulink是可视化动态系统仿真环境。
1990年正式由Mathworks公司引入到MATLAB中,它是Slmutation 和Link的结合。
这里主要介绍它的使用方法和它在控制系统仿真分析和设计操作的有关内容。
1、进入Simulink操作环境双击桌面上的MATLAB图标,启动MATLAB,进入开发环境,如图0-1所示:图0-1 MATLAB开发环境从MATLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境有多种方法,介绍如下:①点击工具栏的Simulink图标,弹出如图0-2的图形库浏览器画面。
②在命令窗口键入“simulink”命令,可自动弹出图形库浏览器。
上述两种方法需从该画面“File”下拉式菜单中选择“New/Model”,或点击图标,得到图0-3的图形仿真操作画面。
③从“File”下拉式菜单中选择“New/Model”,弹出图0-3所示的未命名的图形仿真操作画面。
从工具栏中点击图形库浏览器图标,调出图0-2的图形库浏览器画面。
图0-3用于仿真操作,图0-2的图形库用于提取仿真所需的功能模块。
图0-2 Simulink图形库浏览器画面图0-3 simulink仿真操作环境画面2、提取所需的仿真模块在提取所需仿真模块前,应绘制仿真系统框图,并确定仿真所用的参数。
图0-2中的仿真用图形库,提供了所需的基本功能模块,能满足系统仿真的需要。
该图形库有多种图形子库,用于配合有关的工具箱。
实验六离散控制系统Simulink仿真与状态反馈控制器的设计
![实验六离散控制系统Simulink仿真与状态反馈控制器的设计](https://img.taocdn.com/s3/m/a0c2e9658762caaedc33d42b.png)
实验六离散控制系统Simulink仿真与状态反馈控制器的设计姓名:学号:1、实验题目2.6.2 系统结构如指导书图2-6-31所示,其中T=0.2s,用Simulink仿真方法完成系统的单位阶跃响应试验。
2.6.1已知系统结构图如指导书图2-6-32所示,若采样周期T由0.1至1s范围内变化,用MATLAB编程的方法,完成T每增加0.3s,系统的阶跃响应曲线的变化,分析采样周期对离散系统动态特性及稳定性的影响。
2.7.2已知一个单位反馈系统的开环传函为,试搭建Simulink模型,仿真原系统的阶跃响应。
再设计状态反馈控制器,配置系统的闭环极点在P1=-3,P2=-0.5+j,P3=-0.5-j,并用Simulink模型进行仿真验证。
2、实验目的掌握在Simulink环境下以及在MTALAB环境下,进行离散控制系统的建模、分析。
观察采样周期对离散系统动态特性及稳定性的影响。
学习设计状态反馈控制器,用状态反馈实现闭环极点的任意配置。
3、实验过程与结果题2.6.2:1、在Simulink环境下,搭建如图1所示的模型:图1 Simulink环境下的采样系统建模2、将零阶保持器的采样时间设为0.2,同时在Simulation-Configuration parameters中把Type选为Fixed-Step,然后在Fixed-Step size中输入对应的采样时间0.2。
运行,观察系统单位阶跃响应。
结果如图2:图2 系统的单位阶跃响应题2.6.1:1、在MATLAB环境下,在m文件中编写如下程序:n=[1];d=[1 1 0];g=tf(n,d); %求连续系统开环传函Ti=[0.1 0.4 0.7 1]; %设置不同的采样周期for i=1:length(Ti)T=Ti(i);g0=c2d(g,T,'zoh'); %求加入零阶保持器后开环传函gb=feedback(g0,1); %系统闭环传函[num,den]=tfdata(gb,'v'); %得到闭环传函的分子、分母abs(roots(den)) %求闭环特征根,判稳dstep(num,den) %画离散系统的单位阶跃响应曲线hold on;grid on; %在同一张图上绘制endlegend('T=0.1','T=0.4','T=0.7','T=1')2、运行程序,得到系统闭环特征根,以及不同采样周期时系统的单位阶跃响应曲线,结果如图3:ans =0.95370.9537ans =0.85550.8555ans =0.80770.8077ans =0.79510.7951图3 采样周期不同时,系统的单位阶跃响应曲线分析:随着采样时间T从0.1增大到1,系统响应上升时间减小,调整时间减小,超调量增大。
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实验六 离散控制系统Simulink 仿真与状态反馈控制器的设计
姓名: 学号:
一、实验题目
2.6.2 系统结构如指导书图2-6-31所示,其中T=0.2s ,用Simulink 仿真方法完成系统的单位阶跃响应试验。
2.6.1已知系统结构图如指导书图2-6-32所示,若采样周期T 由0.1至1s 范围内变化,用MATLAB 编程的方法,完成T 每增加0.3s ,系统的阶跃响应曲线的变化,分析采样周期对离散系统动态特性及稳定性的影响。
2.7.2已知一个单位反馈系统的开环传函为)3)(2(10)(++=s s s s G ,试搭建Simulink 模型,仿真原系统的阶跃响应。
再设计状态反馈控制器,配置系统的闭环极点在P1=-3,P2=-0.5+j ,P3=-0.5-j ,并用Simulink 模型进行仿真验证。
二、实验目的
掌握在Simulink 环境下以及在MTALAB 环境下,进行离散控制系统的建模、分析。
观察采样周期对离散系统动态特性及稳定性的影响。
学习设计状态反馈控制器,用状态反馈实现闭环极点的任意配置。
三、实验过程与结果
题2.6.2:
1、在Simulink 环境下,搭建如图1所示的模型:
图1 Simulink 环境下的采样系统建模
2、将零阶保持器的采样时间设为0.2,同时在Simulation-Configuration parameters 中把Type 选为Fixed-Step ,然后在Fixed-Step size 中输入对应的采样时间0.2。
运行,观察系统单位阶跃响应。
结果如图2:
图2 系统的单位阶跃响应
题2.6.1:
1、在MA TLAB环境下,在m文件中编写如下程序:
n=[1];d=[1 1 0];g=tf(n,d); %求连续系统开环传函
Ti=[0.1 0.4 0.7 1]; %设置不同的采样周期
for i=1:length(Ti)
T=Ti(i);
g0=c2d(g,T,'zoh'); %求加入零阶保持器后开环传函
gb=feedback(g0,1); %系统闭环传函
[num,den]=tfdata(gb,'v'); %得到闭环传函的分子、分母
abs(roots(den)) %求闭环特征根,判稳
dstep(num,den) %画离散系统的单位阶跃响应曲线
hold on;grid on; %在同一张图上绘制
end
legend('T=0.1','T=0.4','T=0.7','T=1')
2、运行程序,得到系统闭环特征根,以及不同采样周期时系统的单位阶跃响应曲线,结果如图3:
ans =
0.9537
0.9537
ans =
0.8555
0.8555
ans =
0.8077
0.8077
ans =
0.7951
0.7951
图3 采样周期不同时,系统的单位阶跃响应曲线
分析:随着采样时间T从0.1增大到1,系统响应上升时间减小,调整时间减小,超调量增大。
系统的根均在单位圆内部,系统始终稳定。
题2.7.2:
1、在Simulink环境下,搭建如图4所示的原系统模型:
图4 Simulink环境下原系统建模
2、原系统阶跃响应曲线如图5:
图5 原系统阶跃响应曲线
3、在MA TLAB环境下,编写如下程序,设计状态反馈控制器,配置系统闭环极点:
n=[10];d=conv([1 0],conv([1 2],[1 3]));g=tf(n,d); %原系统开环传函
gc=feedback(g,1);[num,den]=tfdata(gc,'v'); %得到原系统闭环分子、分母[a,b,c,d]=tf2ss(num,den) %转换为状态空间模型
rc=rank(ctrb(a,b)) %求秩,判定能控性
if rc==3
p=[-3 -0.5+j -0.5-j]; %若能控,配置闭环极点
F=acker(a,b,p) %得到状态反馈矩阵F
end
g_new=ss(a-b*F,b,c,d); %极点配置后的闭环传函
t=0:0.1:20;
step(g_new,t) %绘制极点配置后的阶跃响应曲线Grid
4、运行程序,得到如下结果:
a =
-5 -6 -10
1 0 0
0 1 0
b =
1
c =
0 0 10
d =
rc =
3
F =
-1.0000 -1.7500 -6.2500
极点配置后的单位阶跃响应如图6:
图6 极点配置后的阶跃响应曲线
5、在Simulink环境下,绘制带有状态反馈的状态变量图,如图7:
图7 带有状态反馈的状态变量图
6、进行仿真验证,单位阶跃响应图如图8:
图8 带有状态反馈的阶跃响应曲线
四、实验心得
本次实验为离散控制系统Simulink仿真与状态反馈控制器的设计。
通过实验,在Simulink 环境下以及在MTALAB环境下,进行离散控制系统的建模、分析,观察了采样周期对离散系统动态特性及稳定性的影响。
设计了状态反馈控制器,用状态反馈实现闭环极点的配置。
实验中遇到的问题是在编程绘制离散系统阶跃响应时,一开始用的是step函数,后来改用dstep函数,两者绘制出来的响应曲线差距很大,不知道到底应该用哪一个,最终选了dstep。