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。
按要求先将前向通道连好，然后把相加器的另一个端口与传递函数和示波器的线段连好，形成闭环反馈。 双击传递函数。打开其“模块参数设置”对话框，并将其中的
numerator设置为“[10]”，denominator设置为“[1 3 0]”，将相加器设置为“+-”。 绘制成功后，如图1所示。 对模型进行仿真，运行后双击示波器，得到系统的阶跃响应曲线如图2 所示。 图1 图2 题2：
分别将Simulink Library Browser 中的以下模块依次拖到untitled窗口中，连接后便得到整个控制系统的模型，如图3所示。 2 图3
对模型进行仿真，运行后双击示波器，得到系统的阶跃响应曲线如图4所示。 图4 题3：
在MATLAB中的Simulink Library Browser 窗口下找到符合要求的模块，搭建模型，如图5所示。 图5 3
修改各模块参数，运行仿真，单击“start”,点击示波器，得到如下结果，图6 图6
4
实验2 MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用 一、实验目的
1、掌握MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用； 二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个 三、实验内容 1、给定RLC网络如图所示。其中，ui(t)为输入变量，u0(t)为输出变量。求解这个系统的传递函数模型，零极点增益模型以及状态空间模型。
2、已知某双环调速的电流环系统的结构图如图所示。试采用Simulink动态结构图求其线性模型。 题1： 步骤1
从数学上求出系统传递函数。
根据电路基本定理，列出该电路的微分方程，如下： R1i1Ldi3u0ui dti1i2i3 同时还有 uoi3R2 i2C ddi3 uoL dtdt
整理以上方程，并在零初始条件下，取拉普拉斯变换，可得：
5
G(s)Uo(s)Ui(s)1LR1(R1Cs1)s1RR221 2s2s2
代入具体数值可得G(s)步骤2 使用MATLAB程序代码如下。
clear all;
num=[0,1];den=[1 2 2]; sys_tf=tf(num,den)
sys_zpk=zpk(z,p,k) sys_ss=ss(A,B,C,D)
[z,p,k]=tf2zp(num,den) [A,B,C,D]=zp2ss(z,p,k); step(sys_tf);
[A,B,C,D]=linmod('Samples_4_12')
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D); printsys(num,den,'s'); 6
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。 7
实验3 MATLAB/Simulink在时域分析法中的应用 一、实验目的
1、掌握时域分析中MATLAB/Simulink函数的应用； 2、掌握MATLAB/Simulink在稳定性分析中的应用。 二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个 三、实验内容 1、某随动系统的结构如图所示。利用MATLAB完成如下工作：对给定的随动系统建立数学模型；分析系统的稳定性，并且绘制阶跃响应曲线；计算系统的稳态误差；大致分析系统的总体性能，并给出理论上的解释。
2、已知某二阶系统的传递函数为G(s)n，将自然频率固定为n1，2s22nsn分析变化时系统的单位阶跃响应；将阻尼比固定为，0,,...,1,2,3,5，分析自然频率n变化时系统的阶跃响应。 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：
步骤1 求取系统的传递函数。
首先需要对系统框图进行化简。不难看出，题中给出的系统包含两级反馈：外环是单位负反馈；内环则是二阶系统与微分环节构成的负反馈。可以利用MATLAB中的 feedback函数计算出系统的传递函数，代码如下。 cic; clear aii;
num1=[20];den1=[1 2 0]; sys1=tf(num1,den1); 8
num2=[ 0];den2=[0 1]; sys2=tf(num1,den2);
sys_inner=feedback(sys1,sys2);
sys_outer=feedback(sys_inner,1) 程序运行结果为: Transfer function: 20 -------------- s^2 + 4 s + 20 这样就得到了系统的总传递函数，即G= 20 S^2+4s+20 步骤2 进行稳态分析。
根据求得的传递函数，对系统进行稳态性分析，代码如下： den=[1 4 20]; roots(den) pzmap(sys_outer); grid on;
程序运行结果如下： ans =- + - - 系统的零极点分布图如图1所示 Pole-Zero Axis 图1系统的零极点分布图 步骤3 求取阶跃响应
计算系统的阶跃响应：可以采用MATLAB编程实现，还可以利用simulink对系统进行建模，直接观察响应曲线。MATLAB程序代码如下： num=[20];den=[1 4 20]; =steo(num,den) plot(x,y); grid on; 9
程序运行结果如图2所示 图2系统阶跃响应曲线
采用simulink对系统进行建模，如图3所示 图3利用Simulink对系统建模
可以从scope中得到系统的不同响应曲线，如下图4，这与编程的结果完全相同的。 图4系统阶跃响应曲线 10
步骤4 分析系统的响应特性。
在上面的语句=steo(num,den)执行之后，变量y中就存放了系统阶跃响应的具体数值。从响应曲线中不难看出，系统的稳态值为1。可以利用如下代码计算系统的超调量。 y_stable=1;
max_response=max(y);
sigma=(max_respomse-y_stable)/y_stable 程序运行结果为 sigma =
同时可看出，系统的稳态误差为0。示波器error的波形显示如图5所示，可见，当阶跃输入作用系统2s后，输出就基本为1了。 图5系统误差曲线
还可以精确计算出系统的上升时间、峰值时间及调整时间。如上所述，y中储存了系统阶跃响应的数据；同时，x中方存放了其中每个数据对应的时间，编写代码如下。 for i =1:length(y) If y(i)>y_stable break; end end tr=x(i)
[max_response,index]=max(y); tp=x(index)
for i =1:length(y)
If max(y(i:length(y)))*y_stable break end end end ts=x(i)
程序运次结果为 tr = tp = ts = 11
即上升时间为，峰值时间为，并且系统在经过后进入稳态。 题2
利用MATLAB建立控制系统的数学模型，并且同时显示Wn=1,阻尼系数取不同值时系统的阶跃响应曲线，代码如下 clc; clear;
t=linspace(0,20,200)’; omega=1; omega2=omega^2;
zuni=[0,,,,1,2,3,5]; num=omega2; for k=1:8
den=[1
2
*
zuni(k)*omega
omega2];
sys=tf(num,den); y(:,k)=step(sys,t); end figure(1);
plot(t,y）； grid;
gtext(‘zuni=0’);gtext(‘zuni=’);gtext(‘zuni=’);gtext(
‘
zuni=
’
);
gtext(‘zuni=1’);gtext(‘zuni=2’);gtext(‘zuni=3’);gtext(‘zuni=5’); 运行程序，结果如图6所示
=0zuni====1zuni=2zuni=3zuni=52468101214161820 图6固定自然频率，阻尼比变化时系统的阶跃响应曲线 利用MATLAB在一幅图像的上绘制阻尼系数=，Wn从变化到1时系统的阶跃响应曲线，代码如下 12
clc; clear;
t=linspace(0,20,200)’; zuni=;
omega=[,,,,1]; omega2=omega^2; for k=1:5 num=omega2(k);
den=[1 2 * zuni*omega(k) omega2(k)];
sys=tf(num,den); y(:,k)=step(sys,t); end figure(2);
plot(t,y）； grid;
gtext(‘omega=’);gtext(‘omega=’);gtext(‘omega=’); gtext(‘omega=’);gtext(‘omega=’); 运行代码，结果如图7所示 =====
图7固定阻尼系数，自然频率变化时系统的阶跃响应曲线 13
实验4 MATLAB/Simulink在根轨迹分析法中应用 一、实验目的
1、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹函数； 2、掌握MATLAB/Simulink绘制根轨迹的方法。 二、实验设备 电脑一台；MATLAB仿真软件一个 三、实验内容 1、已知单位负反馈控制系统的开环传递函数G(s)k(s1)。画出这个
s(s1)(s4)系统的根轨迹；确定使闭环系统稳定的增益值k；分析系统的阶跃响应性能；利用rltool对系统的性能进行分析。 实验代码1： clc; clear; num=[1 1];
den=conv([1
0],conv([1
-1],[1
4]));
sys=tf(num,den)
输出结果： Transfer function: s + 1 ----------------- s^3 + 3 s^2 - 4 s 实验代码2：
rlocus(sys); grid on; title('ù1ì￡í') 输出结果： 14 图1
步骤4：设计系统的串联校正装置
首先设计滞后环节，假定系统增益穿越频率为1,取零极点之比为10,系统响应曲线如图2
图2
相应代码如下：
num_zhihou = [1 ]; den_zhihou = [1 ];
sys_zhihou = tf(num_zhihou, den_zhihou); sys_new = sys_open * sys_zhihou margin(sys_new); 再设计超前校正，系统响应曲线如图3 20 图3
不难看出此时闭环系统的增益裕量为,相角裕量为,增益穿越频率为；各项参数均符合题设要求。 相应代码如下：
num_chaoqian = [1 ]; den_chaoqian = [1 5]; sys_chaoqian = tf(num_chaoqian,den_chaoqian); sys_new = sys_new * sys_chaoqian; margin(sys_new); 对比校正前后系统的频率响应如图4 图4 代码如下：
figure(1); bode(sys_open); hold on; bode(sys_new); gtext('D￡y°μ'); gtext('D￡yoóμ'); gtext('D￡y°μ'); gtext('D￡yoóμ'); grid on 综上所述，校正后的开环传递函数为
20
s^2 + 12s+1
---------------------------------- s^5+ s^4+ s^3 + s^2+ 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 21
总结仿真模型构建及调试过程中的心得体会。 实验7 MATLAB/Simulink在非线性系统中的应用 一、实验目的
1、掌握非线性系统阶跃响应的分析。 二、实验设备 电脑一台；MATLAB仿真软件一个 三、实验内容 1、给定如图所示的单位负反馈系统。在系统中分别引入不同的非线性环节，观察系统的阶跃响应，并且分析、比较不同的非线性环节对系统性能的影响。 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。 步骤1 利用MATLAB中的simulink工具箱，对题设控制系统进行建模，如下图1，没有任何非线性环节的系统，其阶跃响应曲线如下图2。 图1
图2 22
步骤2 在系统中加入饱和非线性环节，系统框图3所示，其中，饱和非线性环节的输出上限为,输出下限为-；阶跃信号幅值为1 图3
利用simulink进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图4 图4
为了比较饱和非线性环节的输出上下限变化时系统阶跃响应的不同，可以利用simulink中的To Workspace模块，将多次仿真的结果记录到工作空间的不同数组中，并且绘制在同以一幅图像上，此时，系统框图如图5。 23 图5
设定饱和非线性环节输出上限为,输出下限为-,将仿真的结果记录到工作空间中的变量out1中；输出上限为输出下限为-时，仿真结果存放在out2中；输出上限为,输出下限为-时，仿真结果存放在out3中；输出上限为，输出下限为-时，仿真结果存放在out4中。
将4种情况下系统的阶跃响应曲线绘制在同一幅图像中，代码如下。
plot(tout1,out1); hold on; grid on; gtext('');
plot(tout2,out2); gtext(''); plot(tout3,out3);
gtext(''); plot(tout4,out4); gtext(''); 运行程序，结果如下图6： 图6
从图6中可以看出，当饱和非线性环节的输出范围较窄时，系统的阶跃响应速度较慢，上升时间长；同时，超调量较小，振荡不明显；随着输出范围的扩大，系统的响应速度加快，上升时间大大减少，同时伴有显著的振荡。 这是因为饱和环节会对信号起到限幅作用。不难想象，限制作用越强，系统的输出越不容易超调，响应也会越慢，这从图6中夜可以看出这一趋势。
步骤3 在系统中引入死区非线性环节，系统框图如图7所示。其中，死区范围为[-,]； 阶跃信号幅值为1 。 24 图7
利用simulink进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图7所示。
同样，为了对比范围不同时系统的阶跃响应，采用Simulink 中的To Workspace模块，将仿真的结果保存在工作空间的数组里。绘制阶跃响应曲线的代码如下： plot(tout1,out1); hold on; grid on; gtext('’); plot(tout2,out2); gtext('’); plot(tout3,out3);
gtext('’); plot(tout4,out4); gtext('’); 运行程序，结果如图8： 图8
图中曲线上标注的、、、表示死区范围，不难看出，随着死区范围的增加，系统开始响应阶跃输入信号的时刻也逐渐推迟。这是因为死区环节会将死区内的输入“忽略”，使得系统的响应变慢。 25
步骤4 尝试在系统中同时加入死区单元和饱和单元，系统框图如图9所示。 图9
利用simulinh进行仿真，得到的阶跃响应曲线如图10所示： 图10
步骤5 在系统中引入滞环非线性环节。结果如下： 26
实验8 MATLAB/Simulink在离散控制系统中的应用 一、实验目的 1、掌握
2、了解采样周期对离散系统稳定性的影响。 二、实验设备
电脑一台；MATLAB仿真软件一个 三、实验内容 1、建立题目中要求的数学模型，MATLAB代码如下。 clc; clear; Ts = 1; num = [1,1]; den = [1,0,0]; sys_continue = tf(num,den)
sys_discrete = c2d(sys_continue,Ts,'zoh') sys_k = 1;
sys_open = sys_k * sys_discrete 运行结果如下 Transfer function: z - ------------- z^2 - 2 z + 1 27
Sampling time: 1
2、绘制系统的根轨迹。 代码如下 figure(1); rlocus(sys_discrete); 运行结果如图1所示。 图1
从图中可以读到交点出的开环增益为K=0；也就是说，使闭环系统稳定的K的范围是0 系统幅频特性曲线 Nyquist曲线 从图中可以看出，K=2时，系统处于临界稳定状态，Nyquist曲线恰好穿过点。可以确，系统稳定时，K的取值范围是。 3、分析系统的阶跃响应。 给K 赋予不同的值，代码如下。 sys_k = 1; figure(4); sys_close = feedback(sys_k * sys_discrete,1); [dnumc,ddenc] = tfdata(sys_close,'v'); dstep(dnumc,ddenc,25); sys_k = 2; figure(5); 29 sys_close = feedback(sys_k * sys_discrete,1); [dnumc,ddenc] = tfdata(sys_close,'v'); dstep(dnumc,ddenc,25); sys_k = 3; figure(6); sys_close = feedback(sys_k * sys_discrete,1); [dnumc,ddenc] = tfdata(sys_close,'v'); dstep(dnumc,ddenc,25); 运行结果如图所示 30 4、分析采样周期对系统稳定性的影响。 取TS=和TS=2，代码如下 sys_k = 2; figure(7); Ts = ; sys_discrete = c2d(sys_continue,Ts,'zoh') sys_close = feedback(sys_k * sys_discrete,1); [dnumc,ddenc] = tfdata(sys_close,'v'); dstep(dnumc,ddenc,25); sys_k = 2; figure(8); Ts = 2; sys_discrete = c2d(sys_continue,Ts,'zoh') sys_close = feedback(sys_k * sys_discrete,1); [dnumc,ddenc] = tfdata(sys_close,'v'); dstep(dnumc,ddenc,25); 结果如图所示 31 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。 32 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。 按要求先将前向通道连好，然后把相加器的另一个端口与传递函数和示波器的线段连好，形成闭环反馈。 双击传递函数。打开其“模块参数设置”对话框，并将其中的numerator设置为“[10]”，denominator设置为“[1 3 0]”，将相加器设置为“+-”。 绘制成功后，如图1所示。 对模型进行仿真，运行后双击示波器，得到系统的阶跃响应曲线如图2 所示。 图1 图2 题2： 分别将Simulink Library Browser 中的以下模块依次 拖到untitled窗口中，连接后便得到整个控制系统的模型，如图3所示。 2 图3 对模型进行仿真，运行后双击示波器，得到系统的阶跃响应曲线如图4所示。 图4 题3： 在MATLAB中的Simulink Library Browser 窗口下找到符合要求的模块，搭建模型，如图5所示。 图5 3 修改各模块参数，运行仿真，单击“start”,点击示波器，得到如下结果，图6 图6 4 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容