控制系统仿真与CAD课程设计报告
[四川大学]控制系统CAD设计(cad第五次实验报告)
![[四川大学]控制系统CAD设计(cad第五次实验报告)](https://img.taocdn.com/s3/m/e996f8d7af45b307e97197f0.png)
控制系统CAD设计实验报告1. 已知控制系统的状态方程为采用状态反馈，将系统的极点配置到-1，-2，-3，求状态反馈矩阵K。
程序清单：主程序%main 1a=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6];b=[0 0 1]';c=[1 0 0];d=0;p=[-1 -2 -3]'; %输入原系统状态空间矩阵和期望极点t=0.0:0.01:6bass_pp(a,b,c,d,t,p) %调用bass算法进行极点配置，并绘出%配置后的单位阶跃响应bass配置状态反馈极点%采用bass_pp算法进行极点配置function k=bass_pp(A,b,c,d,t,p) %t是用于绘制单位阶跃响应的步长if rank(ctrb(A,b))~= length(b),disp('No !!!'),%进行系统的可控性判别，%只对可控的额系统进行极点配置elsen=length(b);%得到系统的状态数alpha=poly(diag(p',0));%构成期望的系统特征多项式a=poly(A);%系统原有的特征多项式aa=[a(n:-1:2),1];%将特征多项式的各阶系数按降次排列W=hankel(aa);%建立用于第二可控规范型变换的hankel矩阵，M=ctrb(A,b);%建立原系统能控型判别矩阵，和M矩阵一起合成对角变换阵k=(alpha(n+1:-1:2)-a(n+1:-1:2))*inv(W)*inv(M);%求解反馈增益矩阵，sysnew=ss((A-b*k),b,c,d);sysnew_cl=feedback(sysnew,1);step(sysnew_cl,t),hold on,grid onendEnd运行结果（配置后的闭环系统和状态反馈矩阵）：sysnew_cl =a =x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -7 -11 -6b =u1x1 0x2 0x3 1c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Continuous-time state-space model.ans =1.0e-14 *-0.7994 -0.5329 -0.1776可以看到，配置状态反馈所用的K矩阵值几乎为0，这主要期望极点-1，-2，-3就是系统本身的极点，系统不需要进行极点配置所致。
计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统第四版课程设计
计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统第四版课程设计一、课程设计的背景随着计算技术的发展，越来越多的机电设备采用了控制系统，从而提高了生产力和工作效率。
因此，控制系统的设计和仿真技术也得到了越来越广泛的应用。
为了提高控制系统的性能，提高系统的可靠性和稳定性，需要采用控制系统设计和仿真技术。
在此背景下，本次课程设计旨在通过MATLAB软件对控制系统进行仿真设计，从而提高学生的控制系统设计和仿真技能。
二、课程设计的目的本次课程设计的目的主要包括以下几个方面：1.提高学生的控制系统设计和仿真能力；2.增强学生的MATLAB编程技术；3.帮助学生理解控制系统的基本原理及其应用；4.增强学生团队合作和沟通能力。
三、课程设计的内容和要求本次课程设计主要有以下内容和要求：3.1 选题背景和意义选题需要有明确的背景和意义，可以结合实际应用场景进行选择。
3.2 系统分析与模型建立学生需要对待设计的控制系统进行系统分析，并建立相应的模型。
包括控制系统的框图、信号流图、传递函数、状态空间等。
3.3 控制器的设计与仿真学生需要对设计的控制系统设计相应的控制器，并进行仿真评估。
包括根轨迹法、频域设计法、状态反馈控制、PID控制等。
3.4 性能分析与评价学生需要对仿真结果进行性能分析与评价。
包括阶跃响应，超调量，稳态误差等。
3.5 实验设计与编程实现学生需要将设计的控制系统进行实验设计，并用MATLAB编写程序进行实现与测试。
3.6 结果分析与总结学生需要对实验结果进行分析与总结，从控制效果、系统应用等方面加以评价。
四、课程设计的实施方法本次课程设计的实施方法主要包括以下几个方面：1.采取团队合作的方式进行任务分配和工作安排；2.利用网上资源和实验平台，进行实践学习与实验操作；3.在课程设计的过程中，主要采用课堂授课和实验操作相结合的方式进行；4.通过实验操作和讨论，进行知识交流和实践探索。
五、课程设计的评价方法本次课程设计的评价主要从以下几个方面进行：1.对学生在选题、模型分析、控制器设计、仿真评价等方面的表现和成果进行评价；2.对学生实验操作能力和MATLAB编程水平进行评价；3.对团队合作和沟通能力进行评价；4.对报告和总结的撰写质量进行评价。
控制系统数字仿真与CAD课程设计
控制系统数字仿真与CAD课程设计课程背景控制系统数字仿真与CAD课程是一门涵盖了控制系统的基础理论以及控制系统CAD仿真实践的课程。
本课程主要教授学生掌握数字仿真与CAD技术在控制系统领域中的应用和实践。
控制系统数字仿真与CAD课程意在为学生开拓思路提供技术支持，同时也为学生将来走向控制系统领域提供必要的基础技能与实践经验。
课程目标•培养学生使用数字仿真软件进行控制系统仿真的能力。
•培养学生使用CAD软件进行控制系统图形设计与绘制的能力。
•培养学生将仿真与CAD技术应用于控制系统设计、分析与解决问题的能力。
•培养学生掌握控制系统相关的专业术语、技能与知识。
课程内容第一章基础知识本章主要是介绍控制系统的基础知识，包括控制系统的定义、分类、特点以及控制系统分析与设计的基础知识。
此外，还会介绍数字仿真与CAD技术在控制系统领域中的应用、主要功能与特点。
第二章仿真技术本章主要介绍数字仿真技术在控制系统中的应用，包括仿真的概念、方法、分类、技术流程以及仿真软件的选择、应用与实践。
此外，还会介绍仿真软件的主要功能与应用场景。
第三章 CAD技术本章主要介绍CAD技术在控制系统中的应用，包括CAD的概念、原理、主要技术与CAD软件的应用。
此外，还会介绍CAD技术在控制系统中的实践应用以及CAD软件的主要功能与应用场景。
第四章仿真与CAD技术在控制系统中的应用本章主要介绍仿真与CAD技术在控制系统中的应用，包括如何将仿真与CAD技术应用于控制系统设计、分析与解决问题；例如，如何绘制控制系统的传动布置图、控制系统的电气接线图等等。
此外，还会介绍仿真与CAD技术在控制系统维护、故障排查和升级改造中的应用。
第五章课程设计本章主要是针对控制系统数字仿真与CAD技术进行综合性的课程设计。
在课程设计中，学生需要综合应用数字仿真与CAD技术进行控制系统的设计与模拟仿真，从而提高问题解决能力、创新实践能力和综合应用能力。
课程评分1.课堂表现：20%2.仿真实验报告：30%3.CAD图形设计：20%4.课程设计报告：30%总结控制系统数字仿真与CAD课程设计是一门涵盖控制系统的基础理论，同时也重点介绍了CAD与数字仿真技术在控制系统领域中的应用和实践。
控制系统仿真课程设计报告
控制系统仿真课程设计（2011级）题目控制系统仿真课程设计学院自动化专业自动化班级学号学生姓名指导教师王永忠/刘伟峰完成日期2014年6月控制系统仿真课程设计一———交流异步电机动态仿真一 设计目的1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。
2. 设计交流异步电机动态结构系统；3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。
二 设计及Matlab 仿真过程异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。
仿真电动机参数如下：1.85,2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===，20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =⋅===，此外，中间需要计算的参数如下：21ms r L L L σ=-，r r r L T R =，222s r r m t rR L R L R L +=，10N m TL =⋅。
αβ坐标系状态方程：其中，状态变量：输入变量：电磁转矩：2p m p s r s Lr d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r mm m s r r s s 2r r r rd d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαασψωψ+=+-+22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββσψωψ+=--+[ ]Tr r s s X i i αβαβωψψ=[ ]Ts s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n LT i i L βααβψψ=-图00 打开simulink仿真程序图01打开库按钮图3 异步电机simulink结构图封装图4 带3相输入的异步电机框图图5. 3/2转换子系统图6. 2/3转换子系统注意：1）图5，6中标注的三角形增益为矩阵增益，假设输入为U,增益为矩阵C，那么，增益(Gain)环节的设置如下：图6. 增益环节设置2）UA电流输入设置如下：图7. 正弦电流参数设置3）仿真参数设置：如下系统输入：步骤1：打开simulink仿真程序。
《控制系统CAD及仿真》课程设计任务书(2014)
《控制系统CAD 及仿真课程设计》任务书一、教学目标本课程设计是《控制系统CAD 及仿真》课程的综合设计实践环节。
它是为运用本课程所学知识、提高独立设计能力而进行的综合训练。
学生按照指导教师规定的题目和要求，完成控制系统的仿真建模、仿真算法、仿真设计和分析任务。
通过本课程设计，使学生深刻理解仿真原理和方法，掌握MA TLAB 平台下仿真算法的设计流程；进一步掌握SIMULINK 的模型与MATLAB 仿真程序的数据通讯方法。
从而提高学生的控制系统分析和设计能力，为学生今后从事控制系统研究工作打下良好的基础。
二、内容与要求课程设计内容1：采样控制系统的数字仿真实现要求学生分别采用差分方程递推求解法和连续部分按典型环节离散化法来设计采样控制系统的数字仿真程序，实现其仿真功能，绘出输出曲线。
（图中，11717.0172.2)(--+-=zz z D ） 课程设计内容2：PID 控制器的参数寻优要求学生设计PID 控制系统模型以及相应的参数整定仿真算法及程序，实现对系统参数的分析和完善。
在此基础上，基于单纯型寻优策略，设计PID 参数动态寻优仿真方案，三、教学文件与报告要求教学文件：张晓华主编.《控制系统数字仿真与CAD》（第二版）机械工业出版社.2004 课程设计报告内容包括：１仿真设计方案说明及论证；２设计所用仿真原理的说明；３仿真算法程序的说明；４模型构建、目标函数构建的方法；６系统运行状态调整及参数整定的说明７全部模型文件、程序文件以及仿真系统运行曲线和分析。
四、课程设计的考核与成绩评定办法学生在课程设计结束时提交课程设计报告。
内容围绕着设计任务书要求写。
成绩将根据课程设计情况和课设报告撰写情况进行综合考核。
控制系统仿真与CAD 实验报告
《控制系统仿真与CAD》实验课程报告一、实验教学目标与基本要求上机实验是本课程重要的实践教学环节。
实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过上机加强学生的实验手段与实践技能，掌握应用MATLAB/Simulink 求解控制问题的方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质。
通过对MATLAB/Simulink进行求解，基本掌握常见控制问题的求解方法与命令调用，更深入地认识和了解MATLAB语言的强大的计算功能与其在控制领域的应用优势。
上机实验最终以书面报告的形式提交，作为期末成绩的考核内容。
二、题目及解答第一部分：MATLAB 必备基础知识、控制系统模型与转换、线性控制系统的计算机辅助分析1.>>f=inline('[-x(2)-x(3);x(1)+a*x(2);b+(x(1)-c)*x(3)]','t','x','flag','a','b','c');[t,x]=ode45(f,[0,100],[0;0;0],[],0.2,0.2,5.7);plot3(x(:, 1),x(:,2),x(:,3)),grid,figure,plot(x(:,1),x(:,2)),grid2.>>y=@(x)x(1)^2-2*x(1)+x(2);ff=optimset;rgeScale='off';ff.TolFun= 1e-30;ff.TolX=1e-15;ff.TolCon=1e-20;x0=[1;1;1];xm=[0;0;0];xM=[];A=[]; B=[];Aeq=[];Beq=[];[x,f,c,d]=fmincon(y,x0,A,B,Aeq,Beq,xm,xM,@wzhfc1,f f)Warning: Options LargeScale = 'off' and Algorithm ='trust-region-reflective' conflict.Ignoring Algorithm and running active-set algorithm. To runtrust-region-reflective, setLargeScale = 'on'. To run active-set without this warning, use Algorithm = 'active-set'.> In fmincon at 456Local minimum possible. Constraints satisfied.fmincon stopped because the size of the current search direction is less thantwice the selected value of the step size tolerance and constraints are satisfied to within the selected value of the constraint tolerance.<stopping criteria details>Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-20):lower upper ineqlin ineqnonlin2x =1.00001.0000f =-1.0000c =4d =iterations: 5funcCount: 20lssteplength: 1stepsize: 3.9638e-26algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search' firstorderopt: 7.4506e-09constrviolation: 0message: [1x766 char]3.(a) >> s=tf('s');G=(s^3+4*s+2)/(s^3*(s^2+2)*((s^2+1)^3+2*s+5)) G =s^3 + 4 s + 2------------------------------------------------------s^11 + 5 s^9 + 9 s^7 + 2 s^6 + 12 s^5 + 4 s^4 + 12 s^3Continuous-time transfer function.(b)>> z=tf('z',0.1);H=(z^2+0.568)/((z-1)*(z^2-0.2*z+0.99))H =z^2 + 0.568-----------------------------z^3 - 1.2 z^2 + 1.19 z - 0.99Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.4.>> A=[0 1 0;0 0 1;-15 -4 -13];B=[0 0 2]';C=[1 00];D=0;G=ss(A,B,C,D),Gs=tf(G),Gz=zpk(G)G =a =x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -15 -4 -13b =u1x1 0x2 0x3 2c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Continuous-time state-space model. Gs =2-----------------------s^3 + 13 s^2 + 4 s + 15Continuous-time transfer function. Gz =2---------------------------------(s+12.78) (s^2 + 0.2212s + 1.174)Continuous-time zero/pole/gain model.5.设采样周期为0.01s>> z=tf('z',0.01);H=(z+2)/(z^2+z+0.16)H =z + 2--------------z^2 + z + 0.16Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.6.>> syms J Kp Ki s;G=(s+1)/(J*s^2+2*s+5);Gc=(Kp*s+Ki)/s;GG=feedback(G*Gc,1)GG =((Ki + Kp*s)*(s + 1))/(J*s^3 + (Kp + 2)*s^2 + (Ki + Kp + 5)*s + Ki) 7.(a)>>s=tf('s');G=(211.87*s+317.64)/((s+20)*(s+94.34)*(s+0.1684));Gc=( 169.6*s+400)/(s*(s+4));H=1/(0.01*s+1);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),G z=zpk(GG)GG =359.3 s^3 + 3.732e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056----------------------------------------------------------------0.01 s^6 + 2.185 s^5 + 142.1 s^4 + 2444 s^3 + 4.389e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056Continuous-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 -218.5 -111.1 -29.83 -16.74 -6.671 -3.029 x2 128 0 0 0 0 0 x3 0 64 0 0 0 0 x4 0 0 32 0 0 0 x5 0 0 0 8 0 0 x6 0 0 0 0 2 0b =u1x1 4x2 0x3 0x4 0x5 0x6 0c =x1 x2 x3 x4 x5 x6 y1 0 0 1.097 3.559 1.668 0.7573d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gz =35933.152 (s+100) (s+2.358) (s+1.499)----------------------------------------------------------------------(s^2 + 3.667s + 3.501) (s^2 + 11.73s + 339.1) (s^2 + 203.1s + 1.07e04) Continuous-time zero/pole/gain model.(b)设采样周期为0.1s>>z=tf('z',0.1);G=(35786.7*z^2+108444*z^3)/((1+4*z)*(1+20*z)*(1+74.04 *z));Gc=z/(1-z);H=z/(0.5-z);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG) GG =-108444 z^5 + 1.844e04 z^4 + 1.789e04 z^3----------------------------------------------------------------1.144e05 z^5 +2.876e04 z^4 + 274.2 z^3 + 782.4 z^2 + 47.52 z + 0.5Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5x1 -0.2515 -0.00959 -0.1095 -0.05318 -0.01791x2 0.25 0 0 0 0x3 0 0.25 0 0 0x4 0 0 0.125 0 0x5 0 0 0 0.03125 0b =u1x1 1x2 0x3 0x4 0x5 0c =x1 x2 x3 x4 x5y1 0.3996 0.6349 0.1038 0.05043 0.01698d =u1y1 -0.9482Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time state-space model.Gz =-0.94821 z^3 (z-0.5) (z+0.33)---------------------------------------------------------- (z+0.3035) (z+0.04438) (z+0.01355) (z^2 - 0.11z + 0.02396) Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time zero/pole/gain model.8.>>s=tf('s');g1=1/(s+1);g2=s/(s^2+2);g3=1/s^2;g4=(4*s+2)/(s+1)^2;g5=50 ;g6=(s^2+2)/(s^3+14);G1=feedback(g1*g2,g4);G2=feedback(g3,g5);GG=3*fe edback(G1*G2,g6)GG =3 s^6 + 6 s^5 + 3 s^4 + 42 s^3 + 84 s^2 + 42 s---------------------------------------------------------------------------s^10 + 3 s^9 + 55 s^8 + 175 s^7 + 300 s^6 + 1323 s^5 + 2656 s^4 + 3715 s^3 + 7732 s^2 + 5602 s + 1400Continuous-time transfer function.>>s=tf('s');T0=0.01;T1=0.1;T2=1;G=(s+1)^2*(s^2+2*s+400)/((s+5)^2*(s^2 +3*s+100)*(s^2+3*s+2500));Gd1=c2d(G,T0),Gd2=c2d(G,T1),Gd3=c2d(G,T2),s tep(G),figure,step(Gd1),figure,step(Gd2),figure,step(Gd3)Gd1 =4.716e-05 z^5 - 0.0001396 z^4 + 9.596e-05 z^3 + 8.18e-05 z^2 - 0.0001289 z + 4.355e-05----------------------------------------------------------------z^6 - 5.592 z^5 + 13.26 z^4 - 17.06 z^3 + 12.58 z^2 - 5.032 z + 0.8521Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.Gd2 =0.0003982 z^5 - 0.0003919 z^4 - 0.000336 z^3 + 0.0007842 z^2 - 0.000766 z + 0.0003214----------------------------------------------------------------z^6 - 2.644 z^5 + 4.044 z^4 - 3.94 z^3 + 2.549 z^2 - 1.056 z + 0.2019Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd3 =8.625e-05 z^5 - 4.48e-05 z^4 + 6.545e-06 z^3 + 1.211e -05 z^2 - 3.299e-06 z + 1.011e-07---------------------------------------------------------------z^6 - 0.0419 z^5 - 0.07092 z^4 - 0.0004549 z^3 + 0.002495 z^2 - 3.347e-05 z + 1.125e-07Sample time: 1 secondsDiscrete-time transfer function.10.(a)>> G=tf(1,[1 2 1 2]);eig(G),pzmap(G) ans =-2.0000-0.0000 + 1.0000i-0.0000 - 1.0000i系统为临界稳定。
1-控制系统仿真与CAD课程实验指导书-060309
1-控制系统仿真与CAD课程实验指导书-060309控制系统数字仿真与CAD实验指导书张晓华编哈尔滨工业大学电气工程系2006年3月“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验一、实验目的1.熟悉Matlab/Simulink仿真环境；2.掌握Simulink图形化建模方法；3.验证“直流电动机转速/电流双闭环PID控制方案”的有效性。
二、实验内容1.“双闭环直流电动机调速系统”的建模2.电流环／调节器设计3.电流环动态跟随性能仿真实验4.转速环／调节器设计5.转速环动态抗扰性能仿真实验6.系统动态性能分析（给出仿真实验结果与理论分析结果的对比／分析／结论）三、实验步骤1、系统建模A．控制对象的建模建立线性系统动态数学模型的基本步骤如下：1d Ua) b)Uc)图2 额定励磁下直流电动机的动态结构图a) 式（1）的结构图 b)式（2）的结构图c)整个直流电动机的动态结构图C ．晶闸管触发和整流装置的动态数学模型 在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待。
这一环节的输入量是触发电路的控制电压U ct ，输出量是理想空载整流电压U d0。
把它们之间的放大系数K s 看成常数，晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。
下面列出不同整流电路的平均失控时间：表1 各种整流电路的平均失控时间（f=50Hz ）用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为01()d s ct s U K U t T =⋅-按拉氏变换的位移定理，则传递函数为0()()s T s d s ct U s K e U s -= （3） 由于式（3）中含有指数函数s T s e -，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。
为了简化，先将s T s e -按台劳级数展开，则式（3）变成102233()11()12!3!s s T s d s s s T s ct s s s U s K K K e U s e T s T s T s -===++++ 考虑到T s 很小，忽略其高次项，则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节0()()1d s ct s U s K U s T s ≈+ （4）其结构图如图3所示。
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。
控制系统仿真与设计课程设计报告
《控制系统仿真与设计》课程设计报告一、目录摘要 (3)一、概述 (3)二、设计任务与要求 (4)2.1 设计任务 (4)2.2 设计要求 (4)三、理论设计 (5)3.1 方案论证 (5)3.2 系统设计 (6)3.2.1 电流调节器设计 (6)3.2.2 速度调节器设计 (9)四、系统建模及仿真实验 (11)4.1 MATLAB 仿真软件介绍 (11)4.2 仿真建模 (12)4.3 仿真实验 (12)五、总结与体会 (15)参考文献 (15)摘要在直流双闭环调速系统教学中, 电流环和转速环参数的简化计算是教学关键环节, 文章针对某双闭环直流调速系统, 进行了参数的详细计算和电流环和转速环的设计, 并采用MA TL AB /SI MULI NK对实际系统进行了仿真, 给出了起动过程中的电枢电流和转速变化的波形, 并对结果进行了分析。
结果表明在实验中引入MA TLAB /SI MULI NK仿真是对实际实验的良好补充, 能够加深学生对实验的认识。
关键词：MATLAB；直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器；干扰一、概述直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。
随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。
特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用[2]，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。
直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。
如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试[4]。
控制系统设计与仿真课设计报告
《控制系统设计与仿真》课程设计报告目录摘要 (1)一、概述 (2)二、设计任务与要求 (2)2.1 设计任务 (2)2.2 设计要求 (2)三、理论设计 (3)3.1 双闭环调速系统总设计 (3)3.2 设计电流调节器 (5)3.2.1.2 确定时间常数 (5)3.2.1.3 选择电流调节器的结构 (5)3.2.1.4 校验近似条件 (5)3.2.1.5 计算调节器电阻和电容 (6)3.3 速度环设计 (6)3.3.1 确定时间常数 (7)3.3.2 选择转速调节器结构 (7)3.2.2.3 检验近似条件 (7)3.2.2.4 计算调节器电阻和电容 (7)3.2.2.5 校核转速超调量 (7)四、系统建模及仿真实验 (8)4.1 MATLAB 仿真软件介绍 (8)4.2 仿真建模及实验 (8)4.2.1 单闭环仿真实验 (8)4.2.2 电流环仿真实验 (10)4.2.3 双闭环仿真实验 (10)4.2.4 反馈回路扰动仿真实验 (14)五、总结 (15)六、体会 (16)参考文献 (17).摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。
双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。
采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。
电流环校正成典型I型系统。
为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。
根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用MATLAB做了双闭环直流调速系统仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。
本文还对实际中可能出现的各种干扰信号进行了仿真，另外本文还介绍了实物验证的一些情况。
关键词：MATLAB 直流调速双闭环转速调节器电流调节器干扰一、概述我们都知道，对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。
控制系统仿真课程设计报告
控制系统仿真课程设计指导书1、课设目的1. 加强对随动控制系统的认识，掌握工程设计的方法。
2. 通过对随动系统的单元,部件及系统的调试,提高实际技能,培养分析问题解决问题的能力。
3. 掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。
4. 培养编制技术总结报告的能力。
2、控制对象130SZ02型直流电动机铭牌参数为Id=2.1AUd=220VP出=355WRs=5欧额定转速n=1500r/min额定转矩=23000克/厘米要求达到性能指标:D=10 S=+/-5%3、课设设计任务采用单相220V供电,设计采用电势反馈的可控硅直流调速系统。
其中包括:1.主电路设计2.触发电路的设计3.给定电压电路的设计4.电势反馈的设计5.保护装置的设计6.触发电路与主电路同步的设计7.整流装置内阻的测定8.测定触发器----整流装置的放大倍数4、设计要求4。
1设计计算1.系统方案论证,绘制电路原理图2.主电路元部件参数的选择与计算3.触发电路元部件参数的选择与计算4.保护装置元部件参数的选择与计算5.电流电压反馈电路的计算4．2设计实验1. 触发电路单元的调试2. 主电路调试3. 电流电压反馈环节的调试4. 整流装置内阻的测定5. 触发器----整流装置放大倍数的测定6. 系统开环调试并测定机械特性7. 系统闭环调试并测定机械特性8. 考虑到系统仿真所需参数的测定5、设计方案5．1总体的设计原理5．1．1整体设计框图要求：静差率S=+/-5%调速范围D=105．1．2被控对象被控对象:电动机(他励) n=(U-IdR)/CeΦ直流电动机有很好的调速特性，它被广泛地用于需要变速传动的各种场合。
1)调压调速：n趋近于U。
2)调励磁：因为是他励，所以励磁不变。
3)回路电流不可调原理图为:其机械特性图：S=ΔNed/N0*100%0 Ied5．1．3主电路设计电路系统主要采用的是单向桥式整流电路，所用器件是可控硅。
采用电压负反馈加上电流正反馈来控制主电路设计1、原理图：2、可控硅特点:实现了弱电对强电的控制.它有阳极A,阴极C,控制极G.导通条件: (1)A(+),C(-); (2)G(+), C(-)必须同时满足.注意:导通后G,C极电压和主电路就没关系了.关闭条件: A(-) C(+)3、保护装置:(1)电压保护：压敏电阻或硒堆。
控制系统仿真及CAD实验报告(研2021)2
控制系统仿真及CAD实验报告(研2021)2----29bfcb28-6eb3-11ec-864e-7cb59b590d7d控制系统仿真及cad试题（研2021）一、（20分）试着讨论系统仿真的目的、意义、分类、应用和发展。
解：系统仿真的目的：在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。
系统仿真的意义：由于仿真技术经济、安全、快速的优点及其特殊用途，如优化设计和预测功能，在工程设计、理论研究、产品开发等方面具有重要意义。
系统仿真的分类：1、按模型分类。
当仿真实验所采用的模型是物理模型时，称之为物理仿真；是数学模型是，称之为数学仿真。
2、按计算机类型分类。
（1）模拟仿真。
采用数学模型在模拟计算机上进行的实验研究称之为模拟仿真。
（2）数字仿真。
采用数学模型在数字计算机上进行的实验研究称之为数字仿真。
（3）混合仿真。
将模拟仿真与数字仿真结合起来的混合仿真实验系统，简称混合仿真。
（4）全数字仿真。
对象的模拟也用一台计算机来实现，用软件来实现对象各种机理的模型。
（5）分布式数字仿真。
数字仿真系统将所研究的问题分布成若干个子系统，分别在主站与各分站的计算机上同时进行。
系统仿真的应用：经过近50年的发展和完善，现代仿真技术在各个行业都做出了突出贡献，充分体现了其在科技发展和社会进步中的重要作用。
仿真技术广泛应用于航空航天、电力等行业原子能工业、石油、化工及冶金工业中。
仿真技术还广泛应用在医学、社会学、宏观经济与商业策略的研究等非工程领域中。
系统仿真的发展：（1）在硬件方面，基于多CPU并行处理技术的全数字仿真系统将有效提高系统仿真的速度，从而进一步增强仿真系统的“实时性”。
（2）随着网络技术的不断改进和完善，分布式数字仿真系统将被人们广泛使用，以达到“投资少、效果好”的目的。
（3）在应用软件方面，面向用户的高效数字仿真软件不断推陈出新。
控制仿真PID实验报告
自动化1103
张天赐
201123910415
实验内容；控制系统设计与仿真（根轨迹，伯德图，PID）
实验步骤：
例4-8已知晶闸管直流调速系统的结构图如图，分析PID控制器的P、I和D对调速系统性能的影响
实验截图：
随着Kp的增大，系统的在增加，过渡过程时间变大，但响应初期的速度变大；系统的ess随着Kp的增大而减小。
绘制矫正后曲线
可得校正后系统的单位阶跃响应，曲线校正后系统是稳定的
例4-11某单位反馈控制系统的开环传递函数为：
校正后
4-12某单位反馈控制系统的开环传递函数为
校正前图像
未校正系统稳定，但响应速度较慢
校正后
校正后系统稳定，性能为
例4-4
未校正时的伯德图为
校正装置的传函为
校正后为
性能满足要求
实验心得：通过本次实验，了解了如何通过PID控制，波特图来判断是否系统处于稳定状态，并如何进行校正使之满足性能上的要求。
(2)积分作用分析,令，，，
绘制系统单位阶跃响应曲线，程如下
随着Kp的增大，系统的在增加，过渡过程时间变大，但响应初期的速度变大；系统的ess随着Kp的增大而减小。
微分作用分析
随着TD的增大，系统的在增大，过渡过程时间变大，响应初期的速度变小
例4-9程序为
其次，绘制根轨迹图，找到临界稳定增益
求取PID的参数kp=0.024，ti=0.98，td=0.25
控制系统仿真与CAD课程设计报告
控制系统仿真与CAD 课程设计学院：物流工程学院专业：测控技术与仪器班级：测控102******学号：************指导教师：兰莹完成日期：2013年7月4日一、目的和任务配合《控制系统仿真与CAD》课程的理论教学，通过课程设计教学环节，使学生掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，学会运用MATLAB 语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，有效地提高学生实验动手能力。
一、基本要求：1、利用MATLAB提供的基本工具，灵活地编制和开发程序，开创新的应用；2、熟练地掌握各种模型之间的转换，系统的时域、频域分析及根轨迹绘制；3、熟练运用SIMULINK对系统进行仿真；4、掌握PID控制器参数的设计。
二、设计要求1、编制相应的程序，并绘制相应的曲线；2、对设计结果进行分析；3、撰写和打印设计报告（包括程序、结果分析、仿真结构框图、结果曲线）。
三、设计课题设计一：二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及其参数整定考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数G(S)如下，参数为M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F（S）=1。
设计要求：（1）控制器为P控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
（2）控制器为PI控制器时，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
(例如当kp=50时，改变积分时间常数)（3）设计PID控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。
图1 弹簧－阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：F kx x b xM =++ 25211)()()(22++=++==s s k bs Ms s F s X s G图2 闭环控制系统结构图附：P 控制器的传递函数为：()P P G s K =PI 控制器的传递函数为：11()PI P I G s K T s=+⋅ PID 控制器的传递函数为：11()PID P D I G s K T s T s=+⋅+⋅(一)设计P控制器，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
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。
控制系统仿真与CAD课程报告选题说明-张晓华090712
“控制系统数字仿真与CAD”课程结业考核“课程报告”选题说明一、关于本课程“控制系统数字仿真与CAD”课程是电气工程系工业自动化专业方向的一门选修课，课程结业考核评定以撰写“课程报告”的形式进行；其重在培养学生自主学习能力与独立思考能力，检查学生综合运用所学知识与基本技能情况，锻炼学生的书面表达能力。
二、关于“课程报告”的选题●“课程报告”包括如下两部分内容：1、必做题：“双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究”（参见教材第六章第一节内容）。
2、选做题：在“课程报告”选题一览中任选一题（参见教材中的相关内容）。
●“课程报告”撰写中有如下要求：1、每个选题最多二人合作（如发现超过二人，将随机保留二人，其他人重新选题/再次撰写“课程报告”）。
2、“课程报告”要按规定的格式撰写（对于存在“逻辑混乱”“文字不清”、“作图潦草”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。
３、无论计算机录入／打印还是手工书写，均要求用标准Ａ４纸进行撰写，以便于报告最终的批阅与存档。
三、“课程报告”的格式要求“课程报告”要求按科技论文的格式进行撰写，具体格式如下：●中文“题目”●“姓名/班级/电子信箱/联系电话”●中文“摘要”●“关键词”●正文：1、引言2、原理/建模3、设计/分析/论述4、仿真实验/结果分析5、结论建议：学生参阅“中国电机工程学报”、“控制与决策”、“自动化学报”、“控制理论与应用”杂志上的文章格式进行撰写。
“控制系统数字仿真与CAD”课程结业考核“课程报告”选题一览1、选题一：“一阶直线倒立摆系统建模与模型验证”合作者：、2、选题二：“一阶直线倒立摆系统模型的线性化与固有特性分析”合作者：、3、选题三：“一阶直线倒立摆系统的可控性分析”合作者：、4、选题四：“一阶直线倒立摆的双闭环PID控制系统设计”合作者：、5、选题五：“双闭环PID控制的一阶直线倒立摆系统抗扰性能分析”（摆长/配重/直线导轨倾斜/外力冲击摆杆等扰动）合作者：、6、选题六：“一阶直线双倒立摆系统建模与模型验证”（参见教材之习题5-14）合作者：、7、选题七：“一阶直线双倒立摆系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材之习题5-14）合作者：、8、选题八：“一阶直线双倒立摆系统的可控性分析”（参见教材之习题5-14）合作者：、9、选题九：“一阶旋转倒立摆系统建模与模型验证”（参见教材之习题6-1）合作者：、10、选题十：“一阶旋转倒立摆系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材之习题6-1）合作者：、11、选题十一：“一阶旋转倒立摆系统的可控性分析”（参见教材之习题6-1）合作者：、12、选题十二：“斜梁-滚球系统建模与模型验证”（参见教材之习题2-11）合作者：、13、选题十三：“斜梁-滚球系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材之习题2-11）合作者：、14、选题十四：“斜梁-滚球系统的可控性分析”（参见教材之习题2-11）合作者：、15、选题十五：“二维运动龙门起重机系统建模与模型验证”( 参见教材第二章第二节/第五章第五节) 合作者：、16、选题十六：“二维运动龙门起重机系统模型的线性化与固有特性分析” ( 参见教材第二章第二节/第五章第五节) 合作者：、17、选题十七：“二维运动龙门起重机系统的可控性分析”( 参见教材第二章第二节)合作者：、18、选题十八：“二维运动龙门起重机的双闭环PID控制系统设计” ( 参见教材第五章第三节)合作者：、19、选题十九：“双闭环PID控制的二维运动龙门起重机系统抗扰性能分析”（绳长/重物质量/外力冲击重物等扰动）合作者：、20、选题二十：“单水箱液位控制系统建模与模型验证”（参见教材第二章第二节）合作者：、21、选题二十一：“单水箱液位控制系统模型的线性化与固有特性分析”（参见教材第二章第二节）合作者：、22、选题二十二：“单水箱液位控制系统设计”（参见教材第六章第三节）合作者：、23、选题二十三：教材之习题5-8 。
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。
控制系统仿真与CAD实验报告
y=step(sys,t); plot(t,y); grid; yss=1; [y1,i]=max(y); Mp=(y1-yss)/yss; j=5000; while y(j)<1+0.002&&y(j)>1-0.002; j=j-1; end Ts=t(j); Tp=t(i); yr1=0.1*yss; yr2=0.9*yss; i=1; while y(i)<yr1; i=i+1; end; t1=t(i); while y(i)<yr2; i=i+1; end; t2=t(i); Tr=t2-t1; %找到比 yr1 大的 y(i)值 %让此时的 t(i)给 t1 %找到比 yr2 大的 y(i)值 %让此时的 t(i)给 t2 %上升时间 %过渡过程时间 %峰值时间 %y 是阶跃函数 %画出阶跃函数图形 %yss:稳态值 %峰值及峰值时间 %超调量的计算公式 %找ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ稳态时刻
饱和
系统结构框图 其中： G ( s )
(答案)控制系统CAD仿真实验报告一
实验一、熟悉MATLAB 环境及矩阵、数组的数学计算一、 实验目的1、熟悉启动和退出Matlab 的方法；2、熟悉Matlab 命令窗口的组成；3、掌握建立矩阵的方法；二、 实验内容：1、帮助命令使用help 命令，查找 sqrt （开方）函数的使用方法；2、先求下列表达式的值，然后显示Matlab 工作空间的使用情况并保存全部变量。
0.3,9.2,8.2,...,8.2,9.2,0.3,23.0ln )3.0sin(2)3(545.0212),1log(21)2(185sin 2)1(3.03.032221---=+++-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=++=+=-a a a e e z i x x x z e z a a 其中 提示：利用冒号表达式生成a 向量，求各点的函数值时用点乘运算。
⎪⎩⎪⎨⎧=<≤+-<≤-<≤=5.2:5.0:0,32,1221,110,)4(2224t t t t t t t t z 其中提示：用逻辑表达式求分段函数值。
（1）z1=2*sin(85/180*pi)/(1+(exp(1))^2)z1 =0.2375（2）x=[2 1+2i;-0.45 5]x =2.0000 1.0000 + 2.0000i-0.4500 5.0000z2=0.5*log(x+sqrt(1+x^2))z2 =0.7114 - 0.0253i 0.8968 + 0.3658i0.2139 + 0.9343i 1.1541 - 0.0044i（3）a=-3.0:0.1:3.0a =Columns 1 through 5-3.0000 -2.9000 -2.8000 -2.7000 -2.6000Columns 6 through 10-2.5000 -2.4000 -2.3000 -2.2000 -2.1000Columns 11 through 15-2.0000 -1.9000 -1.8000 -1.7000 -1.6000Columns 16 through 20-1.5000 -1.4000 -1.3000 -1.2000 -1.1000Columns 21 through 25-1.0000 -0.9000 -0.8000 -0.7000 -0.6000Columns 26 through 30-0.5000 -0.4000 -0.3000 -0.2000 -0.1000Columns 31 through 350 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000Columns 36 through 400.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000Columns 41 through 451.0000 1.1000 1.2000 1.3000 1.4000Columns 46 through 501.5000 1.6000 1.7000 1.8000 1.9000Columns 51 through 552.0000 2.1000 2.2000 2.3000 2.4000Columns 56 through 602.5000 2.6000 2.7000 2.8000 2.9000Column 613.0000z3=((exp(0.3*a)-exp(-0.3*a)).*sin(a+0.3))/2+log((a+0.3)/2) z3 =Columns 1 through 30.7388 + 3.1416i 0.7696 + 3.1416i 0.7871 + 3.1416i Columns 4 through 60.7913 + 3.1416i 0.7822 + 3.1416i 0.7602 + 3.1416i Columns 7 through 90.7254 + 3.1416i 0.6784 + 3.1416i 0.6196 + 3.1416i Columns 10 through 120.5496 + 3.1416i 0.4688 + 3.1416i 0.3780 + 3.1416i Columns 13 through 150.2775 + 3.1416i 0.1680 + 3.1416i 0.0497 + 3.1416i Columns 16 through 18-0.0771 + 3.1416i -0.2124 + 3.1416i -0.3566 + 3.1416i Columns 19 through 21-0.5104 + 3.1416i -0.6752 + 3.1416i -0.8536 + 3.1416i Columns 22 through 24-1.0497 + 3.1416i -1.2701 + 3.1416i -1.5271 + 3.1416i Columns 25 through 27-1.8436 + 3.1416i -2.2727 + 3.1416i -2.9837 + 3.1416i Columns 28 through 30-37.0245 -3.0017 -2.3085 Columns 31 through 33-1.8971 -1.5978 -1.3575 Columns 34 through 36-1.1531 -0.9723 -0.8083 Columns 37 through 39-0.6567 -0.5151 -0.3819 Columns 40 through 42-0.2561 -0.1374 -0.0255 Columns 43 through 450.0792 0.1766 0.2663 Columns 46 through 480.3478 0.4206 0.4841 Columns 49 through 510.5379 0.5815 0.6145 Columns 52 through 540.6366 0.6474 0.6470 Columns 55 through 570.6351 0.6119 0.5777 Columns 58 through 600.5327 0.4774 0.4126 Column 610.33880.7114 - 0.0253i 0.8968 + 0.3658i0.2139 + 0.9343i 1.1541 - 0.0044i（4）t=0:0.5:2.5;if t<1,z4=t.^2,elseif t<2,z4=t.^2-1,else z4=t.^2-2.*t+1,end; z4 =1.0000 0.2500 0 0.2500 1.00002.25003、已知：（1）A=[12 34 -4;34 7 87;3 65 7],B=[1 3 -1;2 0 3;3 -2 7],A+6*B,A =12 34 -434 7 873 65 7B =1 3 -12 0 33 -2 7ans =18 52 -1046 7 10521 53 49I=eye(3),I =1 0 00 1 00 0 1>> A-B+Ians =12 31 -332 8 840 67 1（2）A*Bans =68 44 62309 -72 596154 -5 241>> A.*Bans =12 102 468 0 2619 -130 49（3）A^3ans =37226 233824 48604247370 149188 60076678688 454142 118820>> A.^3ans =1728 39304 -6439304 343 65850327 274625 343（4）A/Bans =16.4000 -13.6000 7.600035.8000 -76.2000 50.200067.0000 -134.0000 68.0000>> B\Aans =109.4000 -131.2000 322.8000-53.0000 85.0000 -171.0000-61.6000 89.8000 -186.2000三、预习要求：利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告上。
实验七 控制系统仿真及CAD
实验七控制系统仿真及CAD【设计要求】要求采用MATLAB语言，编制.m文件实现，对于给定的题目，要求完成控制器的设计，程序编制，系统调试，性能指标的计算，结果演示以及系统分析等任务。
【报告要求】a) 设计题目的任务及要求；b) 控制器的设计；c) 系统框图及仿真程序；d) 系统性能的计算及分析；e) 调试过程总结、分析及体会。
【实验内容】某化工过程中计算机控制系统如下图所示:(1) 试用环节离散化方法对该系统做仿真研究, 设计PID调节器参数, 使该系统动态性能达到最佳。
（2）试用smith预估控制方法对该系统进行重新设计，并用仿真的方法分析滞后参数对系统动态性能的影响。
PID参数整定程序：T3=10;Kp=0.10;Ti=0.042;Td=0.1;r=1;T0=0;Tf=100;T=0.01;t=0;f=0;h=0.002;e=zeros(3,1);u=zeros(2,1);yout=0;M1=fix(T3/h);M2=T3/h-M1;ylag=zeros(M1+2,1);Y=[0;0];Uk=[0;0];FI=[exp(-h*2);exp(-h*3)];FIM=[(1-exp(-h*2))*0.05;(1-exp(-h*3))/3];FIJ=[h*0.05-(1-exp(-h*2))*0.05*0.5;h/ 3-(1-exp(-h*3))/9];nout=2;N=round((Tf-T0)/T);for k=1:Nfor i=1:T/hUb=Uk;Uk=[u(1);Y(1)];Udot=(Uk-Ub)/h;Y=FI.*Y+FIM.*Uk+FIJ.*Udot;ylag=[Y(nout);ylag(1:M1+1)];y=(1-M2)*ylag(M1+1)+M2*ylag(M1+ 2);endyout=[yout,y];ek=r-y;e=[ek;e(1:2)];a=1+T/Ti+Td/T;b=1+2*Td/T;c=Td/T;uk=u(1)+Kp*(a*e(1)-b*e(2)+c*e(3));f=f+T;t=[t,f];u=[uk;u(1:2)]; endt=T0:T:Tf;plot(t,yout,'r') grid onhold on如果运用史密斯预估进行控制，其原理如下：smith预估控制方法程序：T=0.01;Td=0.1;Ti=0.001;Kp=0.06;T1=1/2;T2=1/3;T3=0.1;T4=10;h=0.002;P=[1 T1 1/6 0;1 T2 1 T3];WIJ=[1 0 1;2 1 1];T0=0;Tf=100;r=1;n=2;N=round((Tf-T0)/T);E=zeros(n+1,1);u=zeros(n,1);a=Kp*(1+T/Ti+Td/T);b=Kp*(1+2*Td/T);c=Kp*Td/T;M1=T4/T;ylag=zeros(M1+1,1);nout=2;A=P(:,1);B=P(:,2);C=P(:,3);D=P(:,4);m=length(WIJ(:,1));W0=zeros(n,1);W=zeros(n,n);for k=1:mif(WIJ(k,2)==0);W0(WIJ(k,1))=WIJ(k, 3);elseW(WIJ(k,1),WIJ(k,2))=WIJ(k,3);end;end;for i=1:nif(A(i)==0);FI(i)=1;FIM(i)=h*C(i)/B(i);FIJ(i)=h*h*C(i)/B(i)/2;FIC(i)=1;FID(i)=0;if(D(i)~=0);FID(i)=D(i)/B(i);elseendelseFI(i)=exp(-h*A(i)/B(i));FIM(i)=(1-FI(i))*C(i)/A(i);FIJ(i)=h*C(i)/A(i)-FIM(i)*B(i)/A(i) ;FIC(i)=1;FID(i)=0;if(D(i)~=0);FIM(i)=(1-FI(i))*D(i)/A(i);FIJ(i)=h*D(i)/A(i)-FIM(i)*B(i)/A(i) ;FIC(i)=C(i)/D(i)-A(i)/B(i);FID(i)=D(i)/B(i);elseendendendY=zeros(n,1);X=Y;Y1=Y;y=0;Uk=zeros(n,1);N=round((Tf-T 0)/T);for i=1:Nfor j=0:T/hUb=Uk;Uk=W*Y+W0*u(1);Udot=(Uk-Ub)/h;Uf=2*Uk-Ub;X=FI'.*X+FIM'.*Uk+FIJ'.*U dot;Y=FIC'.*X+FID'.*Uf;ylag=[Y(nout);ylag(1:M1)];yk=ylag(M1+1);Y1=Y-yk;endE=[r-yk-Y1;E(1:2)];u=u(1)+a*E(1)-b*E(2)+c*E(3);U=[u:u(1)];y=[y;yk];endt=T0:T:Tf;plot(t,y)grid on【实验结果】史密斯预估控制，取得较好的控制效果PID控制取得的控制效果，可以控制但是品质不好本实验是对采样控制系统中常见的有滞后环节的数学模型进行仿真的实现，结果显示对于带滞后的系统来说，相应的输出曲线也滞后相同的时间，并且使得滞后环节对系统的响应也影响较小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
控制系统仿真与CAD 课程设计学院：物流工程学院专业：测控技术与仪器班级：测控102******学号：************指导教师：兰莹完成日期：2013年7月4日一、目的和任务配合《控制系统仿真与CAD》课程的理论教学，通过课程设计教学环节，使学生掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，学会运用MATLAB 语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，有效地提高学生实验动手能力。
一、基本要求：1、利用MATLAB提供的基本工具，灵活地编制和开发程序，开创新的应用；2、熟练地掌握各种模型之间的转换，系统的时域、频域分析及根轨迹绘制；3、熟练运用SIMULINK对系统进行仿真；4、掌握PID控制器参数的设计。
二、设计要求1、编制相应的程序，并绘制相应的曲线；2、对设计结果进行分析；3、撰写和打印设计报告（包括程序、结果分析、仿真结构框图、结果曲线）。
三、设计课题设计一：二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及其参数整定考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数G(S)如下，参数为M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F（S）=1。
设计要求：（1）控制器为P控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
（2）控制器为PI控制器时，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
(例如当kp=50时，改变积分时间常数)（3）设计PID控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。
图1 弹簧－阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：F kx x b xM =++ 25211)()()(22++=++==s s k bs Ms s F s X s G图2 闭环控制系统结构图附：P 控制器的传递函数为：()P P G s K =PI 控制器的传递函数为：11()PI P I G s K T s=+⋅ PID 控制器的传递函数为：11()PID P D I G s K T s T s=+⋅+⋅(一)设计P控制器，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
以下为所做的设计以及运行结果，KP取了不同的值，通过运用sim函数进行仿真，并得出超调量MP，过渡过程时间Ts的大小，通过分析所得出的结果，多次改变KP 的大小直到符合题目的要求，使稳态误差等都达到要求。
1、仿真运行程序for Kp=[200,400,800]t=[0:0.01:6];[t,x,y]=sim('yhx',6);hold onplot(t,y);N=length(t);yss=y(N); %yss：稳态值hold on[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,%计算超调量mpi=N;while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i), %计算过渡过程时间gtext(num2str(Kp));end2、仿真框图3、仿真运行结果改变比例系数kp大小,得如下结果，通过以下数据以及得出的曲线可分析其对系统性能的影响Kp=200mp =75.3359Ts =3.7962Kp=400mp =84.7526Ts =3.8317Kp=800mp =88.0528Ts =4.56854、 仿真运行曲线0.20.40.60.811.21.41.61.825、运行结果分析根据实验要求设计了一个P 控制器，与Gs 等构成闭环控制系统结构。
由以上的运行结果以及曲线可以看出随Kp 增大，超调量mp 是逐渐变大的，Ti 也是逐渐变大的，而且总是达不到稳态误差很小很小，因此得出以下结论：随着Kp 值的增大，系统的超调量变大，调节时间变长，振荡次数也增多了。
Kp 值越大，系统的稳态误差就越小，调节应精度越高，但是系统的波动明显变多了，稳定性变差，但是系统响应变快了。
随着比例系数女kp 的增大并不能消除稳态误差，只能减小稳态误差。
(二) 设计PI控制器，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
以下为设计出的仿真程序等，运用sim函数进行仿真，编写程序使KP=50，改变KI 的大小，来进行分析，直到符合题目的要求，使运行出的结果稳态误差基本很小即可，如果达不到，就要重新设定KI 的大小，进行多次试验，选出如下符合要求的KI的值，程序中都有所体现。
1、仿真运行程序for Ki=[30,50,80]t=[0:0.01:10];[t,x,y]=sim('yhxx',10);hold onplot(t,y);N=length(t); %yss：稳态值yss=y(N);hold on[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss,%计算超调量mpi=N;while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i),%计算过渡过程时间end2、仿真框图3、仿真运行结果当Kp=50时, 改变积分时间常数ki的大小，由以下的结果以及曲线可分析其对系统性能的影响ki=30mp =21.4633Ts =6.5686Ki=50mp =26.7424Ts =5.1127Ki=80mp =31.0229Ts =7.33754、仿真运行曲线：0123456789100.20.40.60.811.21.45、运行结果分析Kp=50时，随着ki 值的增大，系统的超调量变大，系统响应时间出现了波动。
ki 越大，积分速度越快，积分作用就越强，响应时间变快，但系统振荡次数就较多。
PI 控制可以消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后基本无稳态误差。
这是比上一个只有比例控制器的一个进步的地方。
(三)设计一PID控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。
以下为所设计的程序，仿真等，改变kp,ki,kd 的值得出闭环阶跃响应的超调量和过渡过程时间，通过多次试验，得到的kp取20,ki取65，kd取9时运行出的结果是满足题目要求的：1、仿真运行程序[t,x,y]=sim('yhxxx');plot(t,y);N=length(t);yss=y(N); %yss：稳态值[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss, %计算超调量mpi=N;while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02i=i-1;endTs=t(i), %计算过渡过程时间2、仿真框图3、仿真运行结果经过多次试验，当Kp=20,ki=65,pd=9满足使闭环系统的阶跃响应曲线的超调量σ%<20%,过渡过程时间ts<2s，结果如下：mp =1.1367 Ts =0.8945从结果可知超调量mp%<20%,过渡过程时间Ts<2s 满足设计要求.4、仿真运行曲线：0123456789100.20.40.60.811.21.45、运行结果分析及设计小结把比例 微分 积分结合起来进行控制能够更好的达到我们想要的结果，PID 参数的整定就是合理的选取PID 三个参数。
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等方面来考虑问题，每个参数都有自己的作用，比如比例调节的作用是能够成比例地反映系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生与其成比例的调节作用，以减小偏差。
随着Kp 增大，系统的稳态误差减小，但是系统容易产生超调，并且加大Kp 只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差，显著特点就是有差调节。
然后就是微分调节的作用是消除系统的稳态误差，提高系统的误差度，它的特点就是误差调节。
微分调节作用是改善系统的动态性能，可以减少超调，减少调节时间。
总之比例积分微分控制作用是相互关联的，结合起来用效果会更好。
设计二：二阶系统串联校正装置的设计与分析设某被控系统的传递函数G(s)如下：)2()(+=s s Ks G设计要求：选用合适的方法设计一个串联校正装置K(s)，使闭环系统的阶跃响应曲线超调量%20%<σ，过渡过程时间.()s T 15s ≤，开环比例系数)/1(01s K v ≥，并分析串联校正装置中增益、极点和零点对系统性能的影响。
提示：可采用根轨迹校正工具进行串联校正MATLAB 提供了一个辅助设计闭环系统根轨迹的仿真软件Rltool ，可以用来进行根轨迹校正。
在command window 下键入>> rltool ，进入设计环境。
一、 设计思路方法根据题目要求采用matlab 中提供的一个辅助设计闭环系统根轨迹的仿真软件Rltool ，来进行根轨迹校正。
打开matlab ，在command window 下键入>> rltool ，进入设计环境。
根据设计要求：开环比例系数)/1(01s K v ≥即 20102)(lim 0≥≥==→k ks sG k s v 得取k=40, 传递函数)2(40)(+=s s s G二、设计步骤1、打开matlab ，在command window 下键入>> rltool ，进入设计环境。
启动SISO Design Tool在matlab 中键入num=40;den=conv([1,0],[1,2]); ex_1=tf(num,den)， 出现函数 40/(s^2 + 2 s)得到该系统的LTI 对象模型ex_1。
2、启动SISO Design Tool 窗口后，利用该窗口中File 菜单下的命令Import,打开系统模型输入对话框窗口。
采用系统默认的结构，输入选中的对象ex_1，将控制对象G 设置为ex_1，控制器C 设为1，其他的环节H,F 均使用默认的取值1.单击OK 在SISO Design Tool 中会自动绘制此负反馈线性系统的根轨迹图，以及系统波特图，如图10101010-90Frequency (rad/sec)-50050Open-Loop Bode E ditor (C)-2-1.5-1-0.5Root Locus E ditor (C)Real Axis3、点击Analysis 中的other loop response 选择step 得到闭环系统阶跃响应曲线如图可以看到校正前的超调量为60.4%，过渡过程时间为3.66s ，明显不满足要求。