控制系统的计算机仿真应用实例
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。
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告一、实验目的本实验旨在通过MATLAB软件进行控制系统的仿真，并通过仿真结果分析控制系统的性能。
二、实验器材1.计算机2.MATLAB软件三、实验内容1.搭建控制系统模型在MATLAB软件中，通过使用控制系统工具箱，我们可以搭建不同类型的控制系统模型。
本实验中我们选择了一个简单的比例控制系统模型。
2.设定输入信号我们需要为控制系统提供输入信号进行仿真。
在MATLAB中，我们可以使用信号工具箱来产生不同类型的信号。
本实验中，我们选择了一个阶跃信号作为输入信号。
3.运行仿真通过设置模型参数、输入信号以及仿真时间等相关参数后，我们可以运行仿真。
MATLAB会根据系统模型和输入信号产生输出信号，并显示在仿真界面上。
4.分析控制系统性能根据仿真结果，我们可以对控制系统的性能进行分析。
常见的性能指标包括系统的稳态误差、超调量、响应时间等。
四、实验步骤1. 打开MATLAB软件，并在命令窗口中输入“controlSystemDesigner”命令，打开控制系统工具箱。
2.在控制系统工具箱中选择比例控制器模型，并设置相应的增益参数。
3.在信号工具箱中选择阶跃信号，并设置相应的幅值和起始时间。
4.在仿真界面中设置仿真时间，并点击运行按钮，开始仿真。
5.根据仿真结果，分析控制系统的性能指标，并记录下相应的数值，并根据数值进行分析和讨论。
五、实验结果与分析根据运行仿真获得的结果，我们可以得到控制系统的输出信号曲线。
通过观察输出信号的稳态值、超调量、响应时间等性能指标，我们可以对控制系统的性能进行分析和评价。
六、实验总结通过本次实验，我们学习了如何使用MATLAB软件进行控制系统仿真，并提取控制系统的性能指标。
通过实验，我们可以更加直观地理解控制系统的工作原理，为控制系统设计和分析提供了重要的工具和思路。
七、实验心得通过本次实验，我深刻理解了控制系统仿真的重要性和必要性。
MATLAB软件提供了强大的仿真工具和功能，能够帮助我们更好地理解和分析控制系统的性能。
基于MATLAB控制系统仿真实验报告
tf 4
y0
0 1
6、求出 G1(s)
2 (s2 2s 1) 与 G2 (s)
1 (2s3
3s2
1)
的单位阶跃响应，并分别
求出状态空间模型。
解：（1） G1(s) 2 (s2 2s 1) 的状态空间模型求解如下：
function shiyan2 b1=[2];
D(z)
0.62(1 0.136z 1)(1 0.183z (1 0.045z 1)(1 0.53z 1)
1 )
分别用仿真算法得到系统在单位阶跃输入作用下的响应，系统在单位速度输
入是的输出响应。
解：（1）首先将 W1(s)转换为 W1(z)，采样周期 T=0.2s，程序清单如下： function shiyan42 num=[10];den=[0.005 0.15 1 0]; ts=0.2;[nc,dc]=c2dm(num,den,ts)
INTRO（注意：intro 为一个用 MATLAB 语言编写的幻灯片程序，主要演示
常用的 MATLAB 语句运行结果。）
然后，根据现实出来的幻灯片右面按钮进行操作，可按 START——NEXT—
—NEXT 按钮一步步运行，观察。
3、自编程序并完成上机编辑，调试，运行，存盘：
（1）用 MATLAB 命令完成矩阵的各种运算，例如：
5、利用 ode23 或 ode45 求解线性时不变系统微分方程 y(t) Ay(t) ，并绘制出 y(t)
曲线，式中
A
0.5
1
1 0.5
t t0 t 如下： function xdot=fun21(t,x) A=[-0.5 1;-1 -0.5]; xdot=A*x; function fzsy22 t0=0;tf=4;tol=1e-6; x0=[0;1];trace=1; [t,x]=ode23('fun21',t0,tf,x0,tol,trace); plot(t,x) 得到的实验结果如下图所示：
MATLAB控制系统各种仿真例题(包括simulink解法)
一、 控制系统的模型与转换1． 请将下面的传递函数模型输入到matlab 环境。
]52)1)[(2(24)(32233++++++=s s s s s s s G )99.02.0)(1(568.0)(22+--+=z z z z z H ，T=0.1s >> s=tf('s');G=(s^3+4*s+2)/(s^3*(s^2+2)*((s^2+1)^3+2*s+5)); GTransfer function:s^3 + 4 s + 2 ------------------------------------------------------ s^11 + 5 s^9 + 9 s^7 + 2 s^6 + 12 s^5 + 4 s^4 + 12 s^3>> num=[1 0 0.56];den=conv([1 -1],[1 -0.2 0.99]); H=tf(num,den,'Ts',0.1)Transfer function: z^2 + 0.56 ----------------------------- z^3 - 1.2 z^2 + 1.19 z - 0.992． 请将下面的零极点模型输入到matlab 环境。
请求出上述模型的零极点，并绘制其位置。
)1)(6)(5()1)(1(8)(22+++-+++=s s s s j s j s s G )2.8()6.2)(2.3()(1511-++=----z z z z z H ，T=0.05s>>z=[-1-j -1+j]; p=[0 0 -5 -6 -j j];G=zpk(z,p,8)Zero/pole/gain: 8 (s^2 + 2s + 2) -------------------------- s^2 (s+5) (s+6) (s^2 + 1)>>pzmap(G)>> z=[0 0 0 0 0 -1/3.2 -1/2.6]; p=[1/8.2];H=zpk(z,p,1,'Ts',0.05)Zero/pole/gain:z^5 (z+0.3125) (z+0.3846) ------------------------- (z-0.122)Sampling time: 0.05>>pzmap （H ）二、 线性系统分析1. 请分析下面传递函数模型的稳定性。
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。
基于Matlab的计算机控制技术仿真实验
实验一 基于Matlab 的控制系统模型一、 实验目的1. 熟悉Matlab 的使用环境，学习Matlab 软件的使用方法和编程方法2. 学习使用Matlab 进行各类数学变换运算的方法3. 学习使用Matlab 建立控制系统模型的方法二、 实验器材x86系列兼容型计算机，Matlab 软件三、 实验原理1. 香农采样定理对一个具有有限频谱的连续信号f(t)进行连续采样，当采样频率满足max 2ωω≥S 时，采样信号f*(t)能无失真的复现原连续信号。
作信号t e t f 105)(-=和kT 10*5)(-=e t f 的曲线，比较采样前后的差异。
幅度曲线： T=0.05 t=0:T:0.5f=5*exp(-10*t) subplot(2,1,1) plot(t,f) gridsubplot(2,1,2) stem(t,f) grid请改变采样周期T ，观察不同的采样周期下的采样效果。
幅频曲线： w=-50:1:50F=5./sqrt(100+w.^2) plot(w,F) grid若|)0(|1.0|)(|max F j F =ω，选择合理的采样周期T 并验加以证 w=-400:20:400 ws=200 Ts=2*pi/wsF0=5/Ts*(1./sqrt(100+(w).^2)) F1=5/Ts*(1./sqrt(100+(w-ws).^2)) F2=5/Ts*(1./sqrt(100+(w+ws).^2)) plot(w,F0,w,F1,w,F2) grid请改变采样频率ws ，观察何时出现频谱混叠？2. 拉式变换和Z 变换使用Matlab 求函数的拉氏变换和Z 变换 拉式变换： syms a w t f1=exp(-a*t) laplace(f1) f2=tlaplace(f2) f3=t* exp(-a*t) laplace(f3) f4=sin(w*t)Z 变换： syms a k T f1=exp(-a*k*T) ztrans(f1) f2=k*T ztrans(f2)f3=k*T*exp(-a*k*T) ztrans(f3) f4=sin(a*k*T)laplace(f4)f5=exp(-a*t)*cos(w*t) laplace(f5)反拉式变换 syms s a f1=1/silaplace(f1) f2=1/(s+a) ilaplace(f2) f3=1/s^2 ilaplace(f3)f4=w/(s^2+w^2) ilaplace(f4)f5=1/(s*(s+2)^2*(s+3)) ilaplace(f5)ztrans(f4) f5=a^k ztrans(f5)反Z 变换 syms z a T f1=z/(z-1) iztrans(f1)f2=z/(z-exp(-a*T)) iztrans(f2) f3=T*z/(z-1)^2 iztrans(f3) f4=z/(z-a) iztrans(f4)f5=z/((z+2)^2*(z+3)) iztrans(f5)3. 控制系统模型的建立与转化传递函数模型：num=[b1,b2,…bm]，den=[a1,a2,…an]，nn n mm m b s a s a b s b s b den num s G ++++++==-- 121121)( 零极点增益模型：z=[z1,z2,……zm]，p=[p1,p2……pn]，k=[k]，)())(()())(()(2121n m p s p s p s z s z s z s k s G ------=四、实验步骤1.根据参考程序，验证采样定理、拉氏变换和Z变换、控制系统模型建立的方法2.观察记录输出的结果，与理论计算结果相比较3.自行选则相应的参数，熟悉上述的各指令的运用方法五、实验数据及结果分析记录输出的数据和图表并分析六、总结实验二 基于Matlab 的离散控制系统仿真一、 实验目的1. 学习使用Matlab 的命令对控制系统进行仿真的方法2. 学习使用Matlab 中的Simulink 工具箱进行系统仿真的方法二、 实验器材x86系列兼容型计算机，Matlab 软件三、 实验原理1. 控制系统命令行仿真二阶系统闭环传递函数为22222554.025)54.02(51)54.02(5)(+⨯⨯+=⨯⨯++⨯⨯+=s s s ss s s G ，请转换为离散系统脉冲传递函数并仿真，改变参数，观察不同的系统的仿真结果。
控制工程基础-控制系统的计算机仿真
计算机仿真在电子工程中用于模拟电路系 统和数字系统的行为，进行电路设计和优 化。
04 控制系统的计算机仿真
控制系统的数学模型
线性时不变系统
描述系统的动态行为，通过微分方程、差分方程等数学表达式表 示。
传递函数
描述系统输入与输出之间的关系，通过传递函数进行描述。
状态空间模型
描述系统的动态行为，通过状态方程和输统
开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统，输入信号 直接作用于受控对象，输出信号与输入信号之间的关系是 固定的。
线性控制系统
线性控制系统是指系统中各元件之间的关系可以用线性方 程描述的系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中具有反馈回路的系统，输出信号 通过反馈回路回到输入端，控制器根据反馈信号调整输入 信号，以实现控制目标。
03
计算机资源的限制
大规模的控制系统仿真可能需要 较高的计算机资源，如内存和计 算能力。
未来发展方向与展望
混合仿真
结合物理实验和计算机仿真，以提高仿真的 准确性和可信度。
多尺度仿真
考虑系统不同尺度的特性和行为，以更全面 地模拟和控制复杂系统。
高性能计算
利用高性能计算机和并行计算技术，提高大 规模控制系统的仿真效率。
智能化仿真
结合人工智能和机器学习技术，实现自适应 和智能化的仿真和控制。
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多输入多输出系统仿真
总结词
多输入多输出系统是指具有多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
详细描述
多输入多输出系统在工业控制中应用广泛，如机器人、飞行器等。通过计算机仿真，可以模拟系统的动态行为， 分析系统的稳定性和性能，优化控制策略。
matlab在控制方面的示例
一、简介MATLAB（Matrix Laboratory）是一种用于算法开发、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。
MATLAB被广泛应用于科学和工程领域，特别是在控制系统设计和模拟方面具有重要的作用。
在控制方面，MATLAB提供了丰富的工具和函数，可用于设计、分析和实现各种类型的控制系统，并且提供了许多示例来帮助用户更好地理解控制系统。
二、控制系统的建模和仿真1. 实例一：DC电机控制假设我们希望设计一个用于控制直流电机的系统。
我们可以使用MATLAB来建立直流电机的数学模型，并使用Simulink进行仿真。
通过编写方程或使用Simulink的模块化建模工具，我们可以描述电机的动态行为和控制器的工作原理，从而获得一个完整的控制系统模型。
我们可以通过仿真来评估不同的控制策略，优化系统性能，并进行实验验证。
2. 实例二：PID控制器设计在控制系统中，PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器是一种常用的控制器类型。
使用MATLAB中的Control System Toolbox，我们可以设计和调试PID控制器。
我们可以通过输入系统的传递函数或状态空间模型来创建控制系统对象。
可以利用Control System Toolbox提供的自动调整功能，根据系统的要求和性能指标，自动调整PID控制器的参数来实现系统稳定和性能优化。
三、控制系统分析和优化1. 实例三：系统频域分析在设计控制系统时，频域分析是一种重要的方法。
MATLAB提供了许多函数和工具，可用于进行频域分析。
我们可以使用bode函数来绘制系统的频率响应曲线，了解系统的增益和相位裕度，并进行稳定性分析。
MATLAB还提供了工具来进行奈奎斯特图和极点分析等分析方法，帮助用户更好地理解系统的动态特性。
2. 实例四：多目标优化在实际控制系统设计中，通常需要同时满足多个设计指标，例如稳定性、快速响应和抑制干扰等。
自动控制原理MATLAB仿真实验一(控制系统的时域分析)
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、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num1=[0 3 2 5 4 6];den1=[1 3 4 2 7 2];sys1=tf(num1,den1);figure(1);hold on[gm,pm,wcp,wcg]=margin(sys1);margin(sys1);title('对数频率特性图');xlabel('频率rad/sec');ylabel('Gain dB');2． 用Matlab 求出253722)(2342++++++=s s s s s s s G 的极点。
a=[0 0 1 2 2];b=[1 7 3 5 2];[z,p,k]=tf2zpk(a,b) ;（二）阶跃响应1. 二阶系统()102102++=s s s G1）键入程序，观察并记录单位阶跃响应曲线num1=[10];den1=[1 2 10];step(num1,den1);grid on ;2）计算系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率，并记录 wn=sqrt(10);%自然振荡频率zunibi=2/wn;%阻尼比syms s ;S=solve(s^2+2*s+10);%求闭环根3）修改参数，分别实现1=ζ和2=ζ的响应曲线，并记录 n0=10;d0=[1 2 10];step(n0,d0);%原响应曲线hold on ;n1=10;d1=[1 6.32 10];step(n1,d1);n2=10;d2=[1 12.64 10]; step(n2,d2);4）修改参数，分别写出程序实现0121w w n =和022w w n =的响应曲线，并记录 n0=10;d0=[1 2 10];step(n0,d0);%原响应曲线hold on ;n1=2.5;d1=[1 1 2.5];step(n1,d1);n2=40;d2=[1 4 40];step(n2,d2);2. 作出以下系统的阶跃响应，并分析结果（1）()10210221+++=s s s s G（2）()102105.0222++++=s s s s s G （3）()1025.0222+++=s s s s s G （4）()10222++=s s ss Gn0=[2 10];d0=[1 2 10];step(n0,d0);hold on ;n1=[1 0.5 10];d1=[1 2 10];step(n1,d1);hold on ;n2=[1 0.5 0];d2=[1 2 10];step(n2,d2);hold on ;n3=[1 0];d3=[1 2 10];step(n3,d3);3. 25425)()(2++=s s s R s C 求该系统单位阶跃响应曲线，并在所得图形上加网格线和标题 num0=[25];den0=[1 4 25];step(num0,den0);grid on ;xlabel('X');ylabel('Y ');title('单位阶跃曲线');（三）系统动态特性分析用Matlab 求二阶系统12012120)(2++=s s s G 和01.0002.001.0)(2++=s s s G 的峰值时间p t ，上升时间r t ，调整时间s t ，超调量%σ。
控制系统的MATLAB计算及仿真
控制系统的MATLAB计算及仿真控制系统是一种用来实现对物理系统或工程系统进行控制的方法和工具。
MATLAB是一种强大的计算机软件包，能够方便地进行控制系统的计算和仿真。
本文将介绍MATLAB在控制系统中的应用，并以一个简单的例子来说明如何用MATLAB进行控制系统的计算和仿真。
首先，我们需要打开MATLAB软件并创建一个新的脚本文件。
在脚本文件中，我们可以使用MATLAB提供的函数来定义控制系统的传递函数和状态空间模型。
例如，我们可以使用tf函数来定义一个传递函数模型。
传递函数是描述系统输入与输出之间关系的一种数学模型。
以下是一个例子：```MATLABs = tf('s');G=1/(s^2+2*s+1);```这个传递函数模型表示一个具有二阶惯性的系统。
我们可以使用step函数来绘制系统的阶跃响应曲线：```MATLABstep(G);```通过运行脚本文件，我们可以得到系统的阶跃响应曲线。
此外，MATLAB还提供了许多其他的函数和命令来计算和仿真控制系统。
另外，我们还可以使用stateSpace函数来定义一个状态空间模型。
状态空间模型是控制系统中另一种常用的数学模型。
以下是一个例子：```MATLABA=[01;-1-1];B=[0;1];C=[10];D=0;sys = ss(A, B, C, D);```这个状态空间模型描述了一个二阶系统的状态方程和输出方程。
我们可以使用step函数来绘制系统的阶跃响应曲线：```MATLABstep(sys);```通过运行脚本文件，我们可以得到系统的阶跃响应曲线。
除了step函数外，MATLAB还提供了许多其他的函数和命令来计算和仿真状态空间模型。
在控制系统中，还常常需要对系统进行参数调节和性能优化。
MATLAB提供了一系列的控制系统工具箱，用于进行控制系统的分析和设计。
例如，Control System Toolbox提供了用于线性系统分析和设计的工具。
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。
控制系统计算机仿真(matlab)实验五实验报告
实验五 控制系统计算机辅助设计一、实验目的学习借助MATLAB 软件进行控制系统计算机辅助设计的基本方法，具体包括超前校正器的设计，滞后校正器的设计、滞后－超前校正器的设计方法。
二、实验学时：4 学时 三、实验原理1、PID 控制器的设计PID 控制器的数学模型如公式（5-1）、（5-2）所示，它的三个特征参数是比例系数、积分时间常数（或积分系数）、微分时间常数（或微分系数），因此PID 控制器的设计就是确定PID 控制器的三个参数：比例系数、积分时间常数、微分时间常数。
Ziegler （齐格勒）和Nichols （尼克尔斯）于1942提出了PID 参数的经验整定公式。
其适用对象为带纯延迟的一节惯性环节，即：s e Ts Ks G τ-+=1)( 5-1式中，K 为比例系数、T 为惯性时间常数、τ为纯延迟时间常数。
在实际的工业过程中，大多数被控对象数学模型可近似为式（5-1）所示的带纯延迟的一阶惯性环节。
在获得被控对象的近似数学模型后，可通过时域或频域数据，根据表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式计算PID 参数。
表控制器的参数。
假定某被控对象的单位阶跃响应如图5-4所示。
如果单位阶跃响应曲线看起来近似一条S 形曲线，则可用Ziegler-Nichols 经验整定公式，否则，该公式不适用。
由S 形曲线可获取被控对象数学模型（如公式5-1所示）的比例系数K 、时间常数T 、纯延迟时间τ。
通过表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式进行整定。
如果被控对象不含有纯延迟环节，就不能够通过Ziegler-Nichols 时域整定公式进行PID 参数的整定，此时可求取被控对象的频域响应数据，通过表5-1 所示的Ziegler-Nichols 频域整定公式设计PID 参数。
如果被控对象含有纯延迟环节，可通过pade 命令将纯延迟环节近似为一个四阶传递函数模型，然后求取被控对象的频域响应数据，应用表5-1求取PID 控制器的参数。
控制系统计算机仿真及辅助设计实验报告
阶跃
num=[0.8,0,-20];
den=[1,0,-40,0];
sys=tf(num,den);
t=0:0.01:1;
step(sys,t)
实验图形
室温控制系统校正装置设计
已知某室温控制系统为单位负反馈，某开环传递函数为： ，试用Bode图设计法对系统进行滞后串联校正设计，使系统满足;
系统在斜坡信号作用下，系统的速度误差系数 ≥30
(2)比较这几种方法：
对于四阶龙格-库塔方法
真值
1
0.9048
0.8187
0.7408
0.6703
0.6065
0.5488
0.4966
0.4493
0.4066
0.3679
龙库
1
0.9048
0.8187
0.7408
0.6703
0.6065
0.5488
0.4966
0.4493
0.4066
0.3679
误差
step(sys,t)
单位脉冲响应图像
单位阶跃响应图像
实验二
2-2.用MATLAB语言求下列系统的状态方程、传递函数、零极点增益、和部分分式形式的模型参数，并分别写出其相应的数学模型表达式：
1.G（s）=
2. =
Y=[0 2 0 2] X
1.解：（1）状态方程模型参数:
编写MATLAB程序如下
>> num=[1 7 24 24];
（1）m文件程序为h=0.1;
disp('函数的数值解为'); %显示‘’中间的文字%
disp('y=');%同上%
y=1;
六个实战示例--自动控制系统理论--Simulink仿真
自动控制理论仿真实验指导书目录实验一典型环节的MATLAB仿真2一、实验目的2二、SIMULINK的使用2三、实验原理3四、实验容5五、实验报告5六、预习要求5实验二线性系统时域响应分析6一、实验目的6二、根底知识与MA TLAB函数6三、实验容12四、实验报告13五、预习要求13实验三线性系统的根轨迹14一、实验目的14二、根底知识与MA TLAB函数14三、实验容19四、实验报告19五、预习要求19实验四线性系统的频域分析20一、实验目的20二、根底知识与MA TLAB函数20三、实验容23四、实验报告24五、预习要求24实验五线性系统串联校正25一、实验目的25二、根底知识25三、实验容31四、实验报告要求32五、预习要求32实验六数字PＩＤ控制32一、实验目的32二、实验原理32三、实验容35四、实验报告35五、预习要求35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展建模、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，进展仿真和调试。
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。
图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图以图1-2所示的系统为例，说明根本设计步骤如下：1〕进入线性系统模块库，构建传递函数。
《控制系统仿真》课件
模拟高速公路的交通流，对智能交通系统进行评估和优化，提高高速公路的通 行效率和安全性。
机器人控制系统的仿真
工业机器人控制
通过仿真技术模拟工业机器人的运动轨迹和作业过程，对机 器人的控制系统进行优化和控制，提高生产效率和作业精度 。
服务机器人控制
模拟服务机器人的交互过程和作业环境，对机器人的感知和 决策系统进行评估和优化，提高服务机器人的智能化水平。
01
02
高效性
通过计算机进行仿真，大大缩短了实 验时间，提高了效率。
03
安全性
在真实系统上进行实验前，先进行仿 真实验，可以避免不必要的损失和危 险。
05
04
可重复性
仿真实验可以重复进行，方便对同一 问题从不同角度进行分析。
仿真在控制系统中的作用
预测系统性能
通过仿真实验，可以预测实际系统的性能， 为系统设计提供依据。
某型汽车自动驾驶控制系统的仿真实验
总结词
汽车自动驾驶控制系统是未来智能交通系统 的重要组成部分，通过仿真实验可以模拟汽 车在不同道路条件下的行驶轨迹和姿态变化 ，评估自动驾驶控制系统的性能和安全性。
详细描述
该实验采用汽车数学模型和计算机仿真技术 ，模拟了汽车在不同道路条件下的行驶行为 ，包括道路几何特征、交通流和车辆动力学 等子系统的相互作用。通过调整控制参数和 优化算法，实验结果验证了自动驾驶控制系
某型无人机控制系统的仿真实验
总结词
无人机控制系统是实现无人机自主飞行的关 键，通过仿真实验可以模拟无人机的飞行轨 迹和姿态变化，评估控制系统的性能和可靠 性。
详细描述
该实验采用无人机数学模型和计算机仿真技 术，模拟了无人机在不同飞行条件下的动态 行为，包括飞行动力学、导航和控制等子系 统的相互作用。通过调整控制参数和优化算 法，实验结果验证了控制系统的稳定性和鲁 棒性。
基于matlab的控制系统仿真及应用
基于matlab的控制系统仿真及应用控制系统是现代工程领域中一个非常重要的研究方向，它涉及到自动化、机械、电子、信息等多个学科的知识。
而在控制系统的设计和优化过程中，仿真技术起着至关重要的作用。
Matlab作为一种功能强大的工程计算软件，被广泛应用于控制系统仿真和设计中。
在Matlab中，我们可以通过编写代码来建立各种控制系统的模型，并进行仿真分析。
通过Matlab提供的仿真工具，我们可以方便地对控制系统的性能进行评估，优化控制器的参数，甚至设计复杂的控制策略。
控制系统仿真的过程通常包括以下几个步骤：首先，建立控制系统的数学模型，描述系统的动态特性；然后，在Matlab中编写代码，将系统模型转化为仿真模型；接着，设定仿真参数，如控制器的参数、输入信号的形式等；最后，进行仿真运行，并分析仿真结果，评估系统的性能。
控制系统仿真可以帮助工程师快速验证设计方案的可行性，节约成本和时间。
在实际应用中，控制系统仿真可以用于飞行器、汽车、机器人等各种设备的设计和优化，以及工业生产过程的控制和监测。
除了在工程领域中的应用，控制系统仿真还可以帮助学生深入理解控制理论，加深对系统动态特性的认识。
通过在Matlab中搭建控制系统的仿真模型，学生可以直观地感受到控制器参数对系统响应的影响，从而更好地掌握控制系统设计的方法和技巧。
总的来说，基于Matlab的控制系统仿真是一个非常强大和实用的工具，它为控制系统的设计和优化提供了便利，也为学生的学习提供了帮助。
随着科技的不断发展，控制系统仿真技术也将不断完善和拓展，为工程领域的发展带来更多的可能性和机遇。
Matlab作为控制系统仿真的重要工具，将继续发挥着重要作用，推动控制领域的进步和创新。
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控制系统的计算机仿真应用实例
根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s的最大速度。由于该系 统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的 最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制 系统的性能指标可以设定为： 上升时间：<5s； 最大超调量：<10％； 稳态误差：<2％。
控制系统的计算机仿真应用实例
Amplitude
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
图10-2
Step Response
20
40
60
80
100
120
Time (seconds)
系统的开环阶跃响应曲线
控制系统的计算机仿真应用实例
2．PID控制器的设计
PID是Proportional（比例）、Integral（积分）、
例如，将比例增益系数Kp从100提高到10000重新计
算该系统的阶跃响应，结果如图10-5所示。
控制系统的计算机仿真应用实例
Step Response 7
6
5
4
Amplitude
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
1618Biblioteka 20Time (seconds)
图10-4 比例控制器作用下的汽车阶跃响应（u=10）
控制系统的计算机仿真应用实例
本章主要教学内容
熟悉计算机仿真在实际系统设计中的基本应用 掌握利用MATLAB和Simulink进行系统仿真的 基本方法
控制系统的计算机仿真应用实例
本章教学目的及要求
掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程 熟练运用MATLAB和Simulink对系统仿真进 行编程
控制系统的计算机仿真应用实例
10.2 系统的模型表示
为了得到控制系统的传递函数，我们进行Laplace变
换。假定系统的初始条件为零，则该系统的Laplace变
换式为：
msV (s) bV (s) U (s)
Y(s) V (s)
msY (s) bY(s) U (s)
Y(s )
控制系统的计算机仿真应用实例
10.3 系统的仿真设计
10.3.1 利用MATLAB进行仿真设计 1．求系统的开环阶跃响应
在命令窗口输入前面所描述的MATLAB程序代码，可得该 系统的模型，接着输入下面的指令：
step(u*sys) 可得到该系统的开环阶跃响应曲线，如图10-2所示。 从图上可看出该系统不能满足要求达到的性能指标，需 要加上合适的控制器。
增加比例控制器之后闭环系统的传递函数为：
Y(s)
KP
U (s) ms (b K P )
控制系统的计算机仿真应用实例
由于比例控制器可以改变系统的上升时间，现在假定Kp
＝100，观察一下系统的阶跃响应。在MATLAB命令窗口输 入下列指令： >>kp=100;m=1000;b=50;u=500; >>num=[kp];den=[m b+kp]; >>t＝0:0.1:20;step(u*num,den,t);
1
则该系统的传递函数为： U(s ) ms b
控制系统的计算机仿真应用实例
如果用MATLAB语言表示该系统的传递函数模型，可 编写相应的程序代码如下： m=1000;b=50;u=500; num=[1];den=[m b]; sys=tf(num,den);
同时，也可写成如下的状态方程形式：
图10-3 比例控制器作用下的汽车阶跃响应（u=500）
控制系统的计算机仿真应用实例
为此，可减小汽车的驱动力为10N，重新进行仿真， 得到如图10-4所示的仿真结果。
从图10-4可以看到，所设计的比例控制器仍不能满足 系统的稳态误差和上升时间的设计要求。我们可以通过提 高控制器的比例增益系数来改善系统的输出。
v b bv 1 u mm y v
控制系统的计算机仿真应用实例
如果用MATLAB语言表示该系统状态空间模型，可编写相 应的程序代码如下： m=1000;b=50;u=500; A=[-b/m];B=[l/m];C=[1];D=0; sys=ss(A,B,C,D);
当然，也可以使用MATLAB中的模型转换函数tf2ss（）， 直接将传递函数模型转换成标准的状态空间模型。
控制系统的计算机仿真应用实例
10.1 问题的描述
如图10-1所示的汽车运动控制系统， 为了方便系统 数学模型的建立和转换，我们设定该系统中汽车车轮的 转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力 大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车 运动的方向相反，这样，可将图10-1所示的汽车运动控 制系统简化为一个简单的质量阻尼系统。
得到如图10-3所示的系统阶跃响应。从图中可看到， 系统的稳态值太高，远远超出了设计要求，而且系统的稳 态误差和上升时间也不能满足设计要求。
控制系统的计算机仿真应用实例
Amplitude
Step Response 350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time (seconds)
控制系统的计算机仿真应用实例
Amplitude
Step Response 11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time (seconds)
图10-5 u=10000时控制系统阶跃响应
控制系统的计算机仿真应用实例
（2）比例积分（PI）控制器的设计 采用比例积分控制的系统闭环传递函数可表示为：
控制系统的计算机仿真应用实例
v
v
bv
m
u
图10-1 汽车运动示意图
控制系统的计算机仿真应用实例
根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型
可表示为：
mv bv u
y
v
为了分析方便，我们对系统的参数进行设定：
汽车质量m=1000kg，
比例系数b=50 N·s/m， 汽车的驱动力u=500 N。
Differential（微分）三者的缩写。
在过程控制中按误差信号的比例、积分和微分进行控
制的调节器简称为PID调节器，这是技术最成熟、应用最为
广泛的一种调节器。
PID控制器的传递函数为：
KP
KI s
KDs
KDs2
KPs KI s
控制系统的计算机仿真应用实例
下面我们分别讨论采用比例（P）、比例积分（PI）和 比例积分微分（PID）这3种控制方法的原理和设计过程。 （1）比例（P）控制器的设计