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matlab 控制系统仿真

matlab 控制系统仿真
matlab 控制系统仿真

摘要

MATLAB语言是一种十分有效的工具,能容易地解决在系统仿真及控制系统计算机辅助设计领域的教学与研究中遇到的问题,它可以将使用者从繁琐的底层编程中解放出来,把有限的宝贵时间更多地花在解决科学问题上。MATLAB GUI 是MATLAB的人机交互界面。由于GUI本身提供了windows基本控件的支持,并且具有良好的事件驱动机制,同时提供了MATLAB数学库的接口,所以GUI 对于控制系统仿真的平台设计显得十分合适。GUI对于每个用户窗口生成.fig和.m 文件。前者负责界面的设计信息,后者负责后台代码的设计。

本文所做的研究主要是基于MATLAB GUI平台,结合控制系统基础理论和MATLAB控制系统工具箱,实现了用于控制系统计算机辅助分析与设计的软件。本软件主要功能:实现传递函数模型输入、状态方程模型输入、模型装换、控制系统稳定性分析、系统可观性可控性判断,绘制系统奈奎斯特图、波特图、根轨迹图以及零极点分布图。在继续完善的基础上能够用于本科自动控制原理教程的教学实验和一般的科学研究。

关键词:控制系统;MATLAB GUI;计算机辅助设计

Abstract

MATLAB language is a very effective tool,and can be easily resolved in the system simulation and control system of teaching in the field of computer-aided design and research problems,it could be the bottom of the user from tedious programming liberate the limited spend more valuable time to solve scientific problems.The MATLAB GUI is the interactive interface.As the GUI itself provides the basic control windows support,and has a good mechanism for event-driven,while providing the MATLAB Math Library interface,the GUI for control system simulation platform for the design of it is suitable. GUI window generated for each user. Fig and.M file. The former is responsible for the design of the interface information,which is responsible for the design of the background code.

Research done in this article is mainly based on MATLAB GUI platform,the basis of combination of control system theory and MATLAB Control System Toolbox,the realization of control systems for computer-aided analysis and design software. The main functions of the software: the realization of transfer function model input,the state equation model input,the model fitted for the control system stability analysis,system observability controllability judgments、rendering the system Nyquist diagram、Bode plots、root locus and Pole-zero distribution. While continuing to improve based on the principle of automatic control can be used for undergraduate teaching course experiments and scientific research in general.

Key words:Control System;MATLAB GUI; Computer-assistant design

目录

第1章概述 (1)

1.1 论文选题背景和意义 (1)

1.2 计算机辅助分析与设计在控制系统仿真中的发展现状 (1)

1.3 本文主要内容 (3)

第2章控制系统与MATLAB语言 (4)

2.1 控制系统理论基础 (4)

2.2 MATLAB语言与控制系统工具箱 (5)

第3章 MATLAB GUI简介及应用 (9)

3.1 MATLAB GUI (9)

3.2 软件设计步骤 (10)

第4章仿真系统测试与演示 (16)

4.1 控制系统的模型输入 (16)

4.2 控制系统的稳定性分析 (19)

4.3 控制系统可控可观性分析 (20)

4.4 控制系统频率响应 (23)

4.5 控制系统时域响应 (27)

4.6 控制系统根轨迹绘制 (28)

结论 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

第1章概述

1.1 论文选题背景和意义

自动控制原理是自动控制专业和自动化专业的主要课程之一,是研究自动控制技术的基础理论课,是必修的专业基础课程。自动控制原理能使学生掌握自动控制系统的基本理论、基本概念、分析和设计方法,为更深入地学习现代控制策略和研究各种自动控制系统打下理论基础[1]。

在自动控制领域里的科学研究和工程应用中有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任务,给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量,为了解决海量计算的问题,各种控制系统设计与仿真的软件层出不穷,技术人员凭借这些产品强大的计算和绘图功能,使系统分析和设计的效率得以大大提高。然而在众多控制系统设计与仿真软件中,MATLAB以其强大的计算功能、丰富方便的图形功能、模块化的计算方法,以及动态系统仿真工具Simulink;脱颖而出成为控制系统设计和仿真领域中的佼佼者,同时也成为了当今最流行的科学工程语言。

然而MATLAB自身所存在的某些缺点限制了它的应用范围件。一、MATLAB 以解释方式执行效率很低,这在处理图像是特别明显;二、MATLAB程序不能脱离其环境运行,因此它不能被用于开发商用软件;三、MATLAB的程序是后缀为m的脚本文件它对用户完全透明,因此用户可任意进行修改,但有时为维护代码的完整性和安全性,并不希望用户了解或更改核心程序;四、其界面编写功能也过于简单,以致不能满足用户的高级需求。但是在本文软件设计开发主要应用于自动控制原理教学实验,并不需要复杂的图像处理和对代码完整性及安全性的苛刻保护,所以运用MATLAB GUI能较为简单得对软件进行设计开发[2]。

1.2 计算机辅助分析与设计在控制系统仿真中的发展现状

控制理论是一门发展极为迅速的学科[3]。在近一个世纪的发展过程中,其“经典控制理论”与“现代控制理论”的体系己基本完善,近三十年来的“先进控制理论”,如“大系统理论”、各类“智能控制”等,亦取得了蓬勃的发展和可喜的进展。今天的控制理论及其应用技术己不再仅是自动化学科的重要基础,而已成为机电工程、航空航天等现代工程技术中不可缺少的一部分,并在经济学、生物学、医学等领域中获得越来越广泛的应用。伴随着控制理论向深度和广度发展的

是大量控制方法和设计算法的产生,而现代计算机及计算技术的发展则使得这些设计过程可通过CAD程序来实现。这样一种发展不仅使设计者解脱了繁琐的甚至是人工无法实现的手工计算困境,而且使一般设计人员(特别使非控制类专业人员)不必精通某些细小定理的复杂数学证明,或对一些实际中不易发生的特殊情况进行详尽的考察而应用各种控制理论进行控制系统的设计,从而极大地增加了控制理论的实用价值和实际应用,同时也促进了控制理论的发展。

早在1973年,美国学者Melsa教授和Jones博士出版了一本专著[4],书中给出了一套控制系统计算机辅助分析与设计的程序,包括求系统的根轨迹、频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序。这一时期出现的软件还有瑞典Lund 工学院CACSD软件INTRAC、日本的古田胜久教授主持开发的DPACS-F软件、英国Manchester理工大学的控制系统计算机辅助设计软件包、英国剑桥大学推出的线性系统分析与设计软件CLADP等等。此外,在控制系统的计算机辅助分析与设计研究进展中还出现了一些专门的仿真语言,如比较流行的仿真语言有ACSL,CSMP,TSIM,ESL等。这种仿真语言要求用户依照它所提供的语句和大量的模型模块编写一个描述系统的程序,然后才可以对控制系统进行仿真。

我国较有影响的控制系统仿真与CAD成果[5]是中科院系统科学研究所主持的国家自然科学基金重大科研项目开发的CADCSC软件和清华大学孙增沂、袁曾任教授的著作和程序等。1988年中科院沈阳自动化所马纪虎研究员主持开发的CSMP-C仿真语言,是国内有代表意义的仿真语言。

近十年来,随着MATLAB语言和Simulink仿真环境在控制系统研究与教学中日益广泛的应用,在系统仿真、自动控制等领域,国外很多高校在教学与研究中都将MATLAB/Simulink语言作为首选的计算机工具,我国的科学工作者和教育工作者也逐渐意识到MATLAB语言的重要性,并且在很多搞笑的本科自动控制原理实验教学中得到应用[6]。

MATLAB 是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便、界面友好的用户环境。它还包括了ToolBox(工具箱)[7]的各类问题的求解工具,可用来求解特定学科的问题。MATLAB所具备的强有力的计算功能和图形表现,以及各种工具箱提供的丰富的专用函数,为设计研究人员避免重复繁琐的计算和编程,更快、更好、更准确地进行控制系统分析和设计提供了极大的帮助。

Mathworks公司于2004年7月发布了MATLAB的最新版本MATLAB7。新版本针对编程环境、代码效率、数据可视化、数学计算、文件等方面进行了升级,同时包含了功能强大的控制产品集以支持控制系统设计过程的每一个环节,借助于使用MATLAB中与控制相关的工具箱能够实现许多前沿的控制设计方法;此外,与MATLAB7同时发布的Simulink6.0可以辅助技术人员更方便地建立控制系统模型,并通过仿真不断优化设计。

1.3 本文主要内容

本文主要研究及工作是通过利用MATLAB GUI[8]界面,为本科自动控制理论教学的课程实验提供一个控制系统分析与设计的仿真软件。此软件主要功能:实现传递函数模型输入、状态方程模型输入、模型转换、控制系统稳定性分析、系统可观性可控性判断,绘制系统奈奎斯特图、波特图、根轨迹图。因此,首先本论文将根据自动控制原理的本科教学要求对控制系统基础理论和MATLAB软件作以介绍;其次MATLAB GUI是这个仿真软件开发的基础,本文将详细介绍,最后将举例介绍这个控制系统仿真软件的设计与实现过程。

第2章控制系统与MATLAB语言

2.1 控制系统理论基础

控制系统理论的基础知识—自动控制原理,是自动化学科的重要理论基础,是专门研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法的一门课程,是高等学校自动化类专业的一门核心基础理论课程。学好自动控制理论对掌握自动化技术有着重要的作用。《自动控制原理》[9]是自动控制技术的基础理论,主要分“古典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。古典控制理论以传递函数为基础研究单输入单输出一类定常控制系统的分析与设计问题,现代控制理论是六十年代在古典控制理论基础上随着科学技术发展和工程实践需要而迅速发展起来的,它以状态空间法为基础,研究多输入多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。

2.1.1 控制系统的古典理论与现代理论

20世纪50年代,经典控制理论形成体系[10]。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换,系统的基本数学模型是传递函数,主要的分析和综合方法有Bode图法、根轨迹法、劳斯(Routh)判据、奈奎斯特(Nquist)稳定判据、PID控制等。经典控制系统理论虽然至今仍广泛应用在许多工程技术领域中,但也存在着明显的局限性,主要表现在:主要用于单输入单输出线性时不变系统而难以有效地处理多输入多输出系统;只采用外部描述方法讨论控制系统的输入输出关系,而难以揭示系统内部的特性;控制系统设计方法基本上是一种试凑法而不能提供最优控制的方法和手段等等。

在20世纪50年代核反应堆控制研究、尤其是航天控制研究的推动下,控制理论在1960年前后开始了从经典阶段到现代阶段的过渡,其中的重要标志是卡尔曼(R.E.Kalman)系统地把状态空间法引入到系统与控制理论中。现代控制理论以状态空间模型为基础,研究系统内部的结构,提出可控性、可观测性概念及分析方法,也提出了一系列设计方法,如LQR(Linear Quadratic Regulator)和LQG(Linear Quadratic Gaussian)最优控制方法、Kalman滤波器方法、极点配置方法、基于状态观测器的反馈控制方法等。现代控制理论克服了经典控制的许多局限性,它能够解决某些非线性和时变系统的控制问题,适用于多输入多输出反馈控制系统,可以实现最优控制规律。此外,现代控制理论不仅能够研究确定性的系统,而且可以研究随机的过程,即包含了随机控制系统的分析和设计方法。

2.1.2 控制系统理论的基本内容

研究控制系统分析与设计的基础知识,包括控制系统的稳定性、稳态特性和动态特性,以及控制系统的校正与计算机辅助分析。主要内容:控制系统的数学模型、控制系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析、控制系统的校正、非线性系统的近似分析、现代控制理论基础、采样控制系统的分析与设计、控制系统的计算机辅助分析与设计等。

2.2 MATLAB语言与控制系统工具箱

MATLAB是由MathMorks公司于1984年推出的一套数值计算软件自推出之后,该公司不断接收和吸取各学科领域权威人士为之编写的函数和程序,并将它们转换为MATLAB的工具箱[11]。这样,使MATLAB得到不断的发展和扩充,可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能。它将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库,使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题,快速而且准确。

2.2.1 MATLAB软件介绍

MATLAB的名字由Matrix和Laboratory两词的前三个字母组合而成,始创者是时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授。于1984年由MathWokrs公司推出(DOS版)。1993年推出MATLAB4.0(windows版)。1997年MATLAB 5.0版问世。1999年春已到了5.3版。今天MATLAB己成为国际上最优秀的科技应用软件之一,其强大的科学计算与可视化功能、简单易用的开放式可推展环境以及多达三十余个面向不同领域而扩展的工具箱(Tool- Box)的支持,使得MATLAB在许多学科领域成为科学计算、计算机辅助设计与分析的基础工具和首选平台。

MATLAB主要由MATLAB主程序、Simulink动态系统仿真和MATLAB工具箱三大部分组成[12]。其中MATLAB主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五个部分;Simulink是用于动态系统仿真的交互式系统,允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统,并能动态地控制该系统,目前的Simulink可以处理线性、非线性、连续、离散、多变量及多系统;工具箱实际就是用MATLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库,用于解决某一方面的特定问题或实现某一类的新算法,它是开放性的,可以应用也可以根据自己的需要进行扩展。MATLAB工具箱大体可分为功能性的工具箱和学科性的工具箱两类。功能性的工具箱主要用于扩展MATLAB的符号计算功能、图形建模功能、

文字处理功能和与硬件的实时交互过程,如符号计算工具箱等:学科性的工具箱则有较强的专业性,用于解决特定的问题,如信号处理工具箱和通信工具箱。

MATLAB的主要特点[13]:(1)简单易学:MATLAB是一门编程语言,其语法规则与一般的结构化高级编程语言如C语言等大同小异,而且使用更方便,具有一般语言基础的用户很快就可以掌握。(2)代码短小高效:由于MATLAB已经将数学问题的具体算法编成了现成的函数,用户只要熟悉算法的特点、适用场合、函数的调用格式和参数意义等,通过调用函数很快就可以解决问题,二不必花大量的时间纠缠于具体算法的实现。(3)计算功能非常强大:该软件具有强大的矩阵计算功能,利用一般的符号和函数就可以对矩阵进行加、减、乘、除运算以及转置和求逆等运算,而且可以处理稀疏矩阵等特殊的矩阵,非常适合于有限元等大型数值运算的编程。此外,该软件现有的数十个工具箱,可以解决应用中的很多数学问题。(4)强大的图形绘制和处理功能:该软件可以绘制常见的二维三维图形,如线形图,条形图,饼图,散点图,直方图,误差条图,玫瑰花图,极坐标图等。利用有关函数,可以对三维图形进行颜色光照材质纹理和透明性设置并进行交互处理。科学计算要设计到大量数据的处理,利用图形展示数据场的特征,能显著提高数据处理的效率,提高对数据反馈信息的处理速度和能力。MATLAB 提供了丰富的科学计算可视化功能,利用它可以绘制二维三维矢量图、等值线图、三维表面图、曲面图、二维三维流线图、三维流锥、流沙图、流带图、流管图、卷曲图和剖面图等,还可以进行动画制作。基于MATLAB句柄图形对象,结合绘图工具函数,可以根据需要用MATLAB绘制自己的图形。(5)可扩展性能:可扩展性能视该软件的一大优点,用户可以自己编写M文件,组成自己的工具箱,方便的解决本领域内常见的计算问题。此外,利用MATLAB编译器可以生成独立的可执行程序,从而可以隐藏算法并避免依赖MATLAB。MATLAB支持DDE、OLE、ActiveX自动化和COM组建等机制,可以与同样支持该技术的应用程序接口。利用最近推出的COM生成器和Excel生成器,可以利用给定的M文件和MEX文件创建COM组建和Excel插件,从而能够实现与VB、VC等程序的无缝集成。利用Web服务器,可以实现MATLAB于网络的接口。采用互操作技术,可以实现MATLAB与.NET程序的接口。利用端口API函数,可以实现MATLAB与硬件的接口。

MATLAB主程序是一种以数组和矩阵为元素的工程计算语言,主要包括以下几部分:

一、MATLAB语言

MATLAB编程语言是一种面向科学与工程计算的高级语言允许按照数学习惯的方式编写程序由于它符合人们思维方式的编写模式使得该语言比Basci、Fortran、C、Pascal等高级语言更容易学习和应用MATLAB语言以矢量和矩阵为基本的数据单元包含流程控制语句顺序选择循环条件转移和暂停等大量的运算符丰富的函

数多种数据结构输入输出以及面向对象编程这些既可以满足简单问题的求解也适合于开发复杂的大型程序MATLAB不仅仅是一套打好包的函数库同时也是一种高级的面向对象的编程语言使用MATLAB能够卓有成效地开发自己的程序MATLAB自身的许多函数实际上也包括所有的工具箱函数都是用M文件实现的。

二、MATLAB7.0工作环境[14]

MATLAB工作环境包括变量查看器、当前路径选择菜单、命令历史记录窗口、当前工作空间窗口、命令控制窗口、图形处理窗口、程序编辑器、模型编辑器、GUI编辑器和MATLAB附带的大量M文件。

三、MATLAB绘图功能

MATLAB句柄图形控制系统是MATLAB数据可视化的核心部分。它既包含对二维和三维数据的可视化、图形处理、动画制作等高层次的绘图命令,也包含可以修改图形局部及编制完整图形界面的低层次绘图命令。这些功能可使用户创建富有表现力的彩色图形,可视化工具包括曲面宣染、线框图、伪彩图、光源、三维等位线图、图像显示、动画、体积可视化等同时MATLAB还提供了句柄图形机制,使用该机制可对图形进行灵活的控制。使用GUIDE工具可以方便地使用句柄图形创建自己的GUI界面。

四、MATLAB数学函数库[15]

MATALB拥有500多种数学、统计及工程函数,可使用户立刻实现所需的强大的数学计算功能。这些函数是由各领域的专家学者开发的数值计算程序,使用了安全、成熟、可靠的算法,从而保证了最大的运算速度和可靠的结果。MATLAB 内置的强大数学函数库既包含了最基本的数学运算函数,如求和正弦、余弦等函数,也包含了丰富的复杂函数,如矩阵特征值矩阵求逆傅里叶变换等函数。

五、MATLAB应用程序接口

MATLAB应用程序接口是通过MATLAB的API库完成的,MATLAB通过对API库函数的调用可以与其他应用程序交换数据。同样,用户也可在其他语言中通过该接口函数库调用MATLAB的程序。MATLAB应用程序接口中的内容包括实时动态连接外部C或Fortran应用函数,独立C或Fortran程序中调用MATLAB函数输入输出各种MATLAB及其他标准格式的数据文件,创建图文并貌的技术文档,包括MATLAB图形、命令,并可通过word输出。

2.2.2 控制系统工具箱介绍

面向控制工程应用一直是MATLAB的主要功能之一,早期的版本就提供了控制系统设计工具箱。20世纪90年代初的3.5版推出RobustToolBox,4.0版推出基于模块图的控制系统仿真软件Simulink。到目前为止,MATLAB中包含的控制工程类工具箱己超过十个。MATLAB所具备的强有力的计算功能和图形表现,以及各种工具箱提供的丰富的专用函数,为设计研究人员避免重复繁琐的计算和编程,

更快、更好;更准确地进行控制系统分析和设计提供了极大的帮助。

控制系统工具箱主要函数[16]

一、线性定常系统(LTI)数学模型生成函数

tf( ):创建传递函数模型;

ss( ):创建状态方程模型;

zpk ( ):创建零一极点模型;

dss( ):创建离散状态方程模型;

get( ):获取模型参数信息;

set( ):设置模型参数。

二、数学模型转换函数

c2d ( ):连续系统转换成离散系统;

d2c ( ):离散系统转换成连续系统;

d2d ( ):离散系统重新采样。

三、时间响应函数

impulse ( ):计算并绘制冲击响应;

step ( ):计算并绘制阶跃响应。

四、频率响应函数

bode ( ):计算并绘制波特响应;

nichols ( ):计算奈克尔斯图;

nyquist ( ):计算奈奎斯特图;

pzmap ( ):绘制零极点图。

五、控制系统分析与设计图形用户接口

ltiview:打开定常线性系统(LTI)响应分析窗口;

sisotool:打开单输入单输出系统(SISO)设计图形用户接口。六、模型转换函数

tf2zp( ):传递函数模型转换为零极点模型;

tf2ss( ):传递函数模型转换为状态方程模型;

ss2tf( ):状态方程模型转换为传递函数模型;

ss2zp( ):状态方程模型转换为零极点模型。

七、其他函数

str2num( ):将输入字符串转换为数值;

get(handles.edit,'string'):读取MATLAB GUI控件参数。

第3章 MATLAB GUI简介及应用

3.1MATLAB GUI

用户界面(或接口)[17]是指:人与机器(或程序)之间交互作用的工具和方法。如键盘、鼠标、跟踪球、话筒都可成为与计算机交换信息的接口。

图形用户界面(Graphical User Interfaces ,GUI)则是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象(Objects)构成的一个用户界面。用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象,使计算机产生某种动作或变化,比如实现计算、绘图等。假如读者所从事的数据分析、解方程、计算结果可视工作比较单一,那么一般不会考虑GUI 的制作。但是如果读者想向别人提供应用程序,想进行某种技术、方法的演示,想制作一个供反复使用且操作简单的专用工具,那么图形用户界面也许是最好的选择之一。

MATLAB 为表现其基本功能而设计的演示程序demo 是使用图形界面的最好范例。MATLAB的用户,在指令窗中运行demo 打开那图形界面后,只要用鼠标进行选择和点击,就可浏览那丰富多彩的内容。用户图形界面(GUI)是程序的图形化界面。一个好的GUI 能够使程序更加容易的使用。它提供用户一个常见的界面,还提供一些控件,例如,按钮,列表框,滑块,菜单等。用户图形界面应当是易理解且操作是可以预告的,所以当用户进行某一项操作,它知道如何去做。例如,当鼠标在一个按钮上发生了单击事件,用户图形界面初始化它的操作,并在按钮的标签上对这个操作进行描述。

创建MATLAB用户图形界面必须由三个基本元素:组件在MATLAB GUI 中的每一个项目(按钮,标签,编辑框等)都是一个图形化组件。组件可分为三类:图形化控件(按钮,编辑框,列表,滚动条等),静态元素(窗口和文本字符串),菜单和坐标系。图形化控件和静态元素由函数uicontrol 创建,菜单由函数uimenu 和uicontextmenu 创建,坐标系经常用于显示图形化数据,由函数axes 创建.图象窗口(Figure)。GUI 的每一个组件都必须安排图象窗口中。以前,我们在画数据图象时,图象窗口会被自动创建。但我们还可以用函数figure 来创建空图象窗口,空图象窗口经常用于放置各种类型的组件。最后,如果用户用鼠标单击或用键盘键入一些信息,那么程序就要有相应的动作。鼠标单击或键入信息是一个事件,如果MATLAB 程序运行相应的函数,那么MATLAB函数肯定会有所反应。例如,如果用户单击一按钮,这个事件必然导致相应的matlab语句执行,这些相应的语句被称为回应,只要执行GUI 的单个图形组件,必须有一个回应。

3.2 软件设计步骤

运行MATLAB7.0,在command window中输入guide在弹出窗口中选择blank gui点OK进入MATLAB GUI 选择界面左上方“OK”也就是push button按钮,并命名为“传递函数模型输入”,此控件乃仿真系统软件设计的关键所在。如下图所示:

图3-1 建立传递函数模型输入控件

因本文最先设计的是传递函数模型输入,所以以此为基础来展示软件的设计过程。右击pushbutton控件选择“view callbacks”中的“callback”进入编程界面,如下文字所示:

% --- Executes on button press in pushbutton1.

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

在handles下一行编辑所需程序,因传递函数模型需要两个参数输入分别为分子和分母所以在MATLAB GUI界面上需建立两个控件做为参数输入,并用TXT

控件给edit控件做标注,如下图所示:

图3-2 建立edit控件

传递函数模型输入相关程序:

num=str2num(get(handles.edit1,'string'));

den=str2num(get(handles.edit2,'string'));

w=logspace(-2,2);

H=freqs(num,den,w);

x=real(H);

y=imag(H);

figure(1);

plot(x,y);

title('system Nyquist Graphics');

xlabel('Real Part of G(s)');

ylable('Image Part of G(s)');

gird;

点运行,出现参数输入界面如下图所示:

图3-3 运行push buton输入edit参数

在edit text中输入相关参数,比如:分子下输入1,在分母下输入1,5,20点“push button”按钮可得输入系统的频率响应以及奈奎斯特图。

一个MATLAB GUI界面可以设置多个push button控件,以传递函数模型为例,添加一个push button,命名为“模型转换”,实现传递函数模型向状态方程和零极点转换,如下图所示:

图3-4 增加模型转换控件

在模型转换控件下输入以下程序:

num=str2num(get(handles.edit1,'string'));

den=str2num(get(handles.edit2,'string'));

[z,p,k]=tf2zp(num,den);

disp('system zero-point is');

z

disp('system polar-point is');

p

disp('system gain is');

k

[A,B,C,D]=tf2ss(num,den);

disp('system Controller Realization is:');

A

B

C

D

多个控件并不冲突,各自实现程序的回应。

类似可以设计状态方程描述的控制系统,不过在此系统中需要四个参数输入,所以相较传递函数模型多了两个edit控件,同时也利用TXT空间对edit控件进行标注,如下图所示:

图3-5 建立矩阵参数edit

同理在“状态方程模型”下编写程序,如下所示:

A=str2num(get(handles.edit1,'string'));

B=str2num(get(handles.edit2,'string'));

C=str2num(get(handles.edit3,'string'));

D=str2num(get(handles.edit4,'string'));

[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1);

[z,p,k]=ss2zp(A,B,C,D,1);

disp('System Transfer Function of the first input is:');

num

den

disp('Its zero-pole form is:');

z

p

k

实现输入一状态方程模型控制系统并将之转为传递函数和零极点模型。

控制系统仿真软件设计中的其他设计如根轨迹、波特图、奈奎斯特图的绘制,系统稳定性的判断,可控性可观性判断都可以由上述方法实现,这里不便一一举例。

第4章 仿真系统测试与演示

4.1 控制系统的模型输入

连续线性系统一般可以用传递函数表示,也可以用状态方程表示,它们使用的场合不同,前者是经典控制理论常用的模型,后者是“现代控制理论”的基础,但它们是描述同样系统的不同方式。除了这两种描述方法之外,还常用零极点形式来表示连续线性系统模型。MATLAB 控制系统工具箱支持的系统模型有状态方程模型(State-space models)、传递函数模型(Transfer functions)、零极点模型(Zero-pole-gain)和频率响应模型(Frequency response dat)。本系统仅针对线性连续系统范围进行研究,主要采用前三种模型来讨论。

4.1.1控制系统模型输入

一、 系统传递函数模型的表示及MATLAB 下的输入方法

线性系统的传递函数模型一般用微分方程表示,为了化简微分方程的求解,经过Laplace 积分变换后传递函数表示为: n n n n n m m m m a s a s a s a s b s b s b s b s G +++++++++---+-=122111121............)( (4-1)

在MATLAB 中传递函数被看作两个多项式的比值。依照MATLAB 惯例,将多项式的系数按s 的降幂次序排列后表示为一个数值向量,这样用两个向量可以表示传递函数的分子、分母多项式,再利用控制系统工具箱的tf()函数就可以得到系统的传递函数模型。

);

,(];,...,,,1[];

,,...,,[,121121d en n u m tf G a a a a d en b b b b n u m n n m m ===-+(4-2)

二、系统状态方程模型的表示及MATLAB 下的输入方法

线性系统的状态方程模型一般表示为:

)

()()()()()'(t Du t Cx t y t Bu t Ax t x +=+= (4-3) 三、 软件实现及举例

首先打开所设计的软件,出现图4-1对话框。点“控制系统模型输入”按钮,进入参数输入界面。将会看到两种输入方式:传递函数模型和状态方程模型。如图4-2所示

图 4-1 控制系统模型输入对话框

图4-2 两种输入方式

Matlab结构图控制系统仿真

图5. 利用 SIMULINK仿

4. 建立如图11-54所示的仿真模型,其中PID控 制器采用Simulink子系统封装形式,其内部 结构如图11-31(a)所示。试设置正弦波信号 幅值为5、偏差为0、频率为10πHz\始终相位 为0,PID控制器的参数为Kp=10.75、 Ki=1.2、Kd=5,采用变步长的ode23t算法、 仿真时间为2s,对模型进行仿真。 (6)观察仿真结果。系统放着结束后,双击仿真模型中的示波器模块,得到仿真结果。单击示波器窗口工具栏上的Autoscale按钮,可以自动调整坐标来 使波形刚好完整显示,这时的波形如图所示。 图3 2. 题操作步骤如下: (1) 打开一个模型编辑窗口。 (2) 将所需模块添加到模型中。在模块库浏览器中单击Sources,将 Clock(时钟)拖到模型编辑窗口。同样,在User-Defined Functions(用户定义模块库)中把Fcn(函数模块)拖到模型编辑窗口,在Continuous(连续系统模块库)中把 Integrator(积分模块)拖到模型编辑窗口,在Sinks中把Display模块编辑窗口。 (3) 设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。双击Fcn模块,打开Function Block operations中把Add模块拖到模型编辑窗口,在Sinks中把Scope模块拖到模型编辑窗口。 (3) 设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。先双击各个正弦源,打开其Block Parameters对话框,分别设置Frequency(频率)为2*pi、 6*pi、10*pi、 14*pi、18*pi,设置Amplitude(幅值)为1、1/3、1/5、1/7和1/9,其余参数不改变。对于求和模块,將符号列表List of signs设置为 +++++。 (4) 设置系统仿真参数。单击模型

控制系统MATLAB仿真基础

系统仿真 § 4.1控制系统的数学模型 1、传递函数模型(tranfer function) 2、零极点增益模型(zero-pole-gain) 3、状态空间模型(state-space) 4、动态结构图(Simulink结构图) 一、传递函数模型(transfer fcn-----tf) 1、传递函数模型的形式 传函定义:在零初始条件下,系统输出量的拉氏变换C(S)与输入量的拉氏变换R(S)之比。 C(S) b1S m+b2S m-1+…+b m G(S)=----------- =- -------------------------------- R(S) a1S n + a2S n-1 +…+ a n num(S) = ------------ den(S) 2、在MATLAB命令中的输入形式 在MATLAB环境中,可直接用分子分母多项式系数构成的两个向量num、den表示系统: num = [b1, b2, ..., b m]; den = [a1, a2, ..., a n]; 注:1)将系统的分子分母多项式的系数按降幂的方式以向量的形式输入两个变量,中间缺项的用0补齐,不能遗漏。 2)num、den是任意两个变量名,用户可以用其他任意的变量名来输入系数向量。 3)当系统种含有几个传函时,输入MATLAB命令状态下可用n1,d1;n2,d2…….。 4)给变量num,den赋值时用的是方括号;方括号内每个系数分隔开用空格或逗号;num,den方括号间用的是分号。 3、函数命令tf( ) 在MATLAB中,用函数命令tf( )来建立控制系统的传函模型,或者将零极点增益模型、状态空间模型转换为传函模型。 tf( )函数命令的调用格式为: 圆括号中的逗号不能用空格来代替 sys = tf ( num, den ) [G= tf ( num, den )]

matlab控制系统仿真.

课程设计报告 题目PID控制器应用 课程名称控制系统仿真院部名称龙蟠学院 专业自动化 班级M10自动化 学生姓名 学号 课程设计地点 C208 课程设计学时一周 指导教师应明峰 金陵科技学院教务处制成绩

一、课程设计应达到的目的 应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法,结合生产实际,确定系统的性能指标与实现方案,进行控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术,通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型,对控制系统进行性能仿真研究,掌握系统参数对系统性能的影响。 二、课程设计题目及要求 1.单回路控制系统的设计及仿真。 2.串级控制系统的设计及仿真。 3.反馈前馈控制系统的设计及仿真。 4.采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。 三、课程设计的内容与步骤 (1).单回路控制系统的设计及仿真。 (a)已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。 (b)画出单回路控制系统的方框图。 (c)用MatLab的Simulink画出该系统。

(d)选PID调节器的参数使系统的控制性能较好,并画出相应的单位阶约响应曲线。注明所用PID调节器公式。PID调节器公式Wc(s)=50(5s+1)/(3s+1) 给定值为单位阶跃响应幅值为3。 有积分作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为:50 2 5 有积分作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为:50 0 5

大比例作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为:50 0 0 (e)修改调节器的参数,观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线,理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响? 答:由上图分别可以看出无积分作用和大比例积分作用下的系数响应曲线,这两个PID调节的响应曲线均不如前面的理想。增大比例系数将加快系统的响应,但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏;

控制系统的MATLAB仿真与设计课后答案

控制系统的MATLAB仿真与设计课后答案

>>z=-4*sqrt(2)*sin(t); >>plot3(x,y,z,'p'); >>title('Line in 3-D Space'); >>text(0,0,0,'origin'); >>xlabel('X'),ylable('Y'),zlable('Z');grid; 4>>theta=0:0.01:2*pi; >>rho=sin(2*theta).*cos(2*theta); >>polar(theta,rho,'k'); 5>>[x,y,z]=sphere(20); >>z1=z; >>z1(:,1:4)=NaN; >>c1=ones(size(z1)); >>surf(3*x,3*y,3*z1,c1); >>hold on >>z2=z; >>c2=2*ones(size(z2)); >>c2(:,1:4)=3*ones(size(c2(:,1:4))); >>surf(1.5*x,1.5*y,1.5*z2,c2); >>colormap([0,1,0;0.5,0,0;1,0,0]); >>grid on >>hold off 第四章 1>>for m=100:999 m1=fix(m/100); m2=rem(fix(m/10),10); m3=rem(m,10); if m==m1*m1*m1+m2*m2*m2+m3*m3*m3 disp(m) end end 2M文件:function[s,p]=fcircle(r) s=pi*r*r; p=2*pi*r; 主程序: [s,p]=fcircle(10) 3>>y=0;n=100; for i=1:n y=y+1/i/i; end >>y

MatLab与控制系统仿真(重点编程)

第 4 章 MatLab 的程序设计 MatLab 是一个工具、开发平台,同时它也是一门编程语言。与在命令窗口用交互的方式工作相比,通过程序运行来解决实际问题,其效率更高,因此,凡是复杂的、大型的应用都是以程序的方式执行。相对其它高级语言, MatLab 更简单、编程的效率更高、调试过程也更容易。 MatLab 中的程序文件是以 m 为后缀,所以通常将 MatLab 的程序文件称为 m 文件。MatLab提供了两种形式的m文件,即:脚本(Script)式m文件(就简称m文件)、函数型 m 文件。在 MatLab 中已经嵌入了一个功能强大的集成开发环境—— m 文件编辑器,用它来进行程序的编辑、修改、调试、运行等,完成应用开发工作。 4.1 MatLab 程序设计基础 通过前面内容的学习,大家对 MatLab 已经有了一个初步的认识和印象,到目前为止,我们都是在“命令”窗口中,以交互的方式运行,完成我们的工作。实际上简单的m 文件,就是一个批处理程序,它是若干条命令的集合。 例: 4.1.1 M 文件规则和属性 函数 M 文件必须遵循一些特定的规则。除此之外,它们有许多的重要属性,这其中包括: 1. 函数名和文件名必须相同。例如,函数 fliplr 存储在名为 fliplr.m 文件中。 2. MATLAB 头一次执行一函数个 M 文件时,它打开相应的文本文件并将命令编辑成存储器的内部表示,以加速执行以后所有的调用。如果函数包含了对其它函 数 M 文件的引用,它们也同样被编译到存储器。普通的脚本 M 文件不被编译,即使它们是从函数 M 文件内调用;打开脚本 M 文件,调用一次就逐行进行注释。 3. 在函数 M 文件中,到第一个非注释行为止的注释行是帮助文本。当需要帮助时,返回该文本。例如, ? help fliplr 返回上述前八行注释。 4. 第一行帮助行,名为 H1 行,是由 lookfor 命令搜索的行。 5. 函数可以有零个或更多个输入参量。函数可以有零个或更多个输出参量。

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)(322 33++++++=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)); G Transfer 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 - 0.99 2. 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()(1 511-++=----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)

《MATLAB与控制系统。。仿真》实验报告剖析

《MATLAB与控制系统仿真》 实验报告 班级: 学号: 姓名: 时间:2013 年 6 月

目录实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算(一)实验二 MATLAB环境的熟悉与基本运算(二)实验三 MATLAB语言的程序设计 实验四 MATLAB的图形绘制 实验五基于SIMULINK的系统仿真 实验六控制系统的频域与时域分析 实验七控制系统PID校正器设计法 实验八线性方程组求解及函数求极值

实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算(一) 一、实验目的 1.熟悉MATLAB开发环境 2.掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算 二、实验基本原理 1.熟悉MATLAB环境: MATLAB桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览器、文件和搜索路径浏览器。 2.掌握MA TLAB常用命令 表1 MA TLAB常用命令 3.MATLAB变量与运算符 3.1变量命名规则 3.2 MATLAB的各种常用运算符 表3 MATLAB关系运算符 表4 MATLAB逻辑运算符

| Or 逻辑或 ~ Not 逻辑非 Xor 逻辑异或 符号功能说明示例符号功能说明示例 :1:1:4;1:2:11 . ;分隔行.. ,分隔列… ()% 注释 [] 构成向量、矩阵!调用操作系统命令 {} 构成单元数组= 用于赋值 4.MATLAB的一维、二维数组的寻访 表6 子数组访问与赋值常用的相关指令格式 三、主要仪器设备及耗材 计算机 四.实验程序及结果 1、新建一个文件夹(自己的名字命名,在机器的最后一个盘符) 2、启动MATLAB,将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。 3、学习使用help命令。

MATLAB控制系统与仿真设计

MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院(系):电气与控制工程学院 专业班级:测控技术与仪器1301班 姓名:吴凯 学号:1306070127

指导教师:杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法,大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器(亦称调节器)及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器,若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中,参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展,对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件,例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法,线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法,设计一个温控系统的PID控制器,并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词:PID参数整定;PID控制器;MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid

《控制系统MATLAB仿真》实验讲义88

《自动控制原理实验》 目录 第一部分实验箱的使用 第二部分经典控制实验 第一章基本实验 实验一典型环节及其阶跃响应 实验二二阶系统阶跃响应 实验三控制系统的稳定性分析 实验四控制系统的频率特性 实验五连续控制系统的串联校正 实验六数字PID控制实验 第二章综合实验 第三部现代控制理论实验 第一章基本实验 第二章综合实验

实验一 典型环节及其阶跃响应 预习要求: 1、复习运算放大器的工作原理;了解采用A μ741运算放大器构成各种运算电路的方法; 2、了解比例控制、微分控制、积分控制的物理意义。 一、实验目的 1、学习自动控制系统典型环节的电模拟方法,了解电路参数对环节特性的影响。 2、学习典型环节阶跃响应的测量方法; 3、学会根据阶跃响应曲线计算确定典型环节的传递函数。 二、实验内容 1、比例环节 电路模拟: 图1-1 传递函数: 2211 ()()()U s R G s U s R ==- 2、惯性环节 电路模拟: 图1-2 传递函数: 22112()/()()11 U s R R K G s U s Ts R Cs = =-=- ++ 3、积分环节 电路模拟: A/D1 D/A1 A/D1

图1-3 传递函数: 21()11 ()()U s G s U s Ts RCs = =-=- 4、微分环节 电路模拟: 图1-4 传递函数: 211() ()() U s G s s RC s U s τ= =-=- 5、比例微分 电路模拟: 图1-5 传递函数: 222111 ()()(1)(1)()U s R G s K s R C s U s R τ= =-+=-+ 6、比例积分 电路模拟: 图1-6 A/D1 2 R D/A1 A/D1 A/D1 A/D1 C

MatLab与控制系统仿真(重点编程)

第4章MatLab的程序设计 MatLab是一个工具、开发平台,同时它也是一门编程语言。与在命令窗口用交互的方式工作相比,通过程序运行来解决实际问题,其效率更高,因此,凡是复杂的、大型的应用都是以程序的方式执行。相对其它高级语言,MatLab更简单、编程的效率更高、调试过程也更容易。 MatLab中的程序文件是以m为后缀,所以通常将MatLab的程序文件称为m文件。MatLab提供了两种形式的m文件,即:脚本(Script)式m文件(就简称m文件)、函数型m文件。在MatLab中已经嵌入了一个功能强大的集成开发环境——m文件编辑器,用它来进行程序的编辑、修改、调试、运行等,完成应用开发工作。 4.1 MatLab程序设计基础 通过前面内容的学习,大家对MatLab已经有了一个初步的认识和印象,到目前为止,我们都是在“命令”窗口中,以交互的方式运行,完成我们的工作。实际上简单的m文件,就是一个批处理程序,它是若干条命令的集合。 例: 4.1.1 M文件规则和属性 函数M文件必须遵循一些特定的规则。除此之外,它们有许多的重要属性,这其中包括: 1. 函数名和文件名必须相同。例如,函数fliplr存储在名为fliplr.m文件中。 2. MATLAB头一次执行一函数个M文件时,它打开相应的文本文件并将命令编辑成存储器的内部表示,以加速执行以后所有的调用。如果函数包含了对其它函数M文件的引用,它们也同样被编译到存储器。普通的脚本M文件不被编译,即使它们是从函数M文件内调用;打开脚本M文件,调用一次就逐行进行注释。 页脚内容1

3. 在函数M文件中,到第一个非注释行为止的注释行是帮助文本。当需要帮助时,返回该文本。例如,? help fliplr返回上述前八行注释。 4. 第一行帮助行,名为H1 行,是由lookfor命令搜索的行。 5. 函数可以有零个或更多个输入参量。函数可以有零个或更多个输出参量。 6. 函数可以按少于函数M文件中所规定的输入和输出变量进行调用,但不能用多于函数M文件中所规定的输入和输出变量数目。如果输入和输出变量数目多于函数M文件中function语句一开始所规定的数目,则调用时自动返回一个错误。 相对于函数m文件,脚本式m文件就简单多了,它没有严格的格式要求,只要将有关的命令或函数一一敲入即可,但是还是有几个问题需要注意: 1. m文件的名称不得与MatLab的内部函数同名、第一个字符不得为数字(这点与变量的命名规则相同); 2. 最好在文件的头部加上注释,对该m文件的作用、功能作一个简要说明,而在一些重要命令行后也加上注释行,以方便使用者阅读、查找; 3. 要特别注意m文件的保存路径或位置,如果不是保存在MatLab默认的路径下,可以使用addpath函数来设置、添加路径,否则,m文件不能运行。 脚本式m文件与函数m文件还有一个重要区别:脚本式m文件中的变量均为全局变量,而函数m文件中的变量则是局部变量。这可以从这两种程序文件运行后在Workspace中留下痕迹看出。当然,在函数m文件中也可以专门将某些变量定义为全局变量(关键字是:global)。不过,在使用全局变量(函数m文件中)时应特别注意: ①.全局变量需要函数体的变量赋值语句之前定义或说明; ②.全局变量名最好是大写,而且要尽量长,能反映它本身的含义; 页脚内容2

MATLAB语言与控制系统仿真-参考答案

5.6 控制系统的时域响应MATLAB 仿真实训 5.6.1实训目的 1. 学会利用MATLAB 绘制系统的单位阶跃响应曲线,掌握读取系统动态性能指标的方法; 2. 学会利用MATLAB 绘制系统的单位脉冲响应曲线的方法; 3. 掌握利用MATLAB 绘制系统的零输入响应曲线的方法; 4. 掌握利用MATLAB 绘制系统的一般输入响应曲线的方法; 5. 学会通过仿真曲线读取相关信息,并依据有关信息进行系统的时域分析。 5.6.2实训内容 1.编写程序求取下列各系统的单位阶跃响应,完成表5-5并记录相关曲线。 162.316)(21++= s s s G 16 4.216 )(22 ++=s s s G 166.116)(2 3++=s s s G 1616 )(24++=s s s G 解:>> n1=16; >> d1=[1,3.2,16]; >> sys1=tf(n1,d1); >> step(sys1) >> n2=16; >> d2=[1,2.4,16]; >> sys2=tf(n2,d2); >> step(sys2)

>> n3=16; >> d3=[1,1.6,16]; >> sys3=tf(n3,d3); >> step(sys3) >> n4=16; >> d4=[1,1,16]; >> sys4=tf(n4,d4); >> step(sys4)

序号ξnω m ax c p t s t(% 5 = ?) 计算值实验计算值实验计算值实验值 1 0.4 4 1.2538 1.25 0.8569 0.863 2.1875 2.1 2 0. 3 4 1.3723 1.37 0.8233 0.828 2.9167 2.81 3 0.2 4 1.5266 1.53 0.8016 0.8 4.3750 4.9 4 0.12 5 4 1.6731 1.67 0.791 6 0.803 7.0000 7.33 w=4; cmax1=1+exp(-z1*pi/sqrt(1-z1^2)); tp1=pi/(w*sqrt(1-z1^2)); ts1=3.5/(z1*w); [cmax1,tp1,ts1] ans = 1.2538 0.8569 2.1875 >> z2=0.3; w=4; cmax2=1+exp(-z2*pi/sqrt(1-z2^2)); tp2=pi/(w*sqrt(1-z2^2)); ts2=3.5/(z2*w); [cmax2,tp2,ts2]

基于MATLAB的自动控制系统仿真

摘要 自动控制原理理论性强,现实模型在实验室较难建立,因此利用SIMULINK进行仿真实验,可以加深我们学生对课程的理解,调动我们学习的积极性,同时大大提高了我们深入思考问题的能力和创新能力。本文针对自动控制系统的设计很大程度上还依赖于实际系统的反复实验、调整的普遍现象,结合具体的设计实例,介绍了利用较先进的MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具来实现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真的方法。它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能。并且能够灵活的改变系统的结构和参数,通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。关键词:MATLAB;自动控制;系统仿真

Abstract Strong theory of automatic control theory, the reality is more difficult to establish in the laboratory model, thus using the SIMULINK simulation experiment, students can deepen our understanding of the course, to mobilize the enthusiasm of our study, while greatly increasing our ability to think deeply and Innovationcapacity.In this paper, the design of automatic control system is still largely dependent on the actual system of repeated experiments, adjustment of the universal phenomenon, with specific design example, introduced the use of more advanced software in the MATLAB SIMULINK simulation tools to achieve the automatic control systemModeling, Analysis and design, simulation methods.It can intuitively and quickly analyze the dynamic performance, and steady-state performance. Keywords:MATLAB; Automatic control; System simulation

MATLAB语言与控制系统仿真-参考答案-第5章

控制系统的时域响应MATLAB 仿真实训 实训目的 1. 学会利用MATLAB 绘制系统的单位阶跃响应曲线,掌握读取系统动态性能指标的方法; 2. 学会利用MATLAB 绘制系统的单位脉冲响应曲线的方法; 3. 掌握利用MATLAB 绘制系统的零输入响应曲线的方法; 4. 掌握利用MATLAB 绘制系统的一般输入响应曲线的方法; 5. 学会通过仿真曲线读取相关信息,并依据有关信息进行系统的时域分析。 实训内容 1.编写程序求取下列各系统的单位阶跃响应,完成表5-5并记录相关曲线。 162.316)(21++= s s s G 16 4.216 )(22 ++=s s s G 166.116)(2 3++=s s s G 1616 )(24++=s s s G 解:>> n1=16; >> d1=[1,,16]; >> sys1=tf(n1,d1); >> step(sys1) >> n2=16; >> d2=[1,,16]; >> sys2=tf(n2,d2); >> step(sys2)

>> n3=16; >> d3=[1,,16]; >> sys3=tf(n3,d3); >> step(sys3) >> n4=16; >> d4=[1,1,16]; >> sys4=tf(n4,d4); >> step(sys4)

序号ξnω m ax c p t s t(% 5 = ?)计算值实验计算值实验计算值实验值 14 24 34 44 w=4; cmax1=1+exp(-z1*pi/sqrt(1-z1^2)); tp1=pi/(w*sqrt(1-z1^2)); ts1=(z1*w); [cmax1,tp1,ts1] ans = >> z2=; w=4; cmax2=1+exp(-z2*pi/sqrt(1-z2^2)); tp2=pi/(w*sqrt(1-z2^2)); ts2=(z2*w); [cmax2,tp2,ts2]

MATLABSimulink和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2 10()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 +=+++,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。

matlab 控制系统仿真

摘要 MATLAB语言是一种十分有效的工具,能容易地解决在系统仿真及控制系统计算机辅助设计领域的教学与研究中遇到的问题,它可以将使用者从繁琐的底层编程中解放出来,把有限的宝贵时间更多地花在解决科学问题上。MATLAB GUI 是MATLAB的人机交互界面。由于GUI本身提供了windows基本控件的支持,并且具有良好的事件驱动机制,同时提供了MATLAB数学库的接口,所以GUI 对于控制系统仿真的平台设计显得十分合适。GUI对于每个用户窗口生成.fig和.m 文件。前者负责界面的设计信息,后者负责后台代码的设计。 本文所做的研究主要是基于MATLAB GUI平台,结合控制系统基础理论和MATLAB控制系统工具箱,实现了用于控制系统计算机辅助分析与设计的软件。本软件主要功能:实现传递函数模型输入、状态方程模型输入、模型装换、控制系统稳定性分析、系统可观性可控性判断,绘制系统奈奎斯特图、波特图、根轨迹图以及零极点分布图。在继续完善的基础上能够用于本科自动控制原理教程的教学实验和一般的科学研究。 关键词:控制系统;MATLAB GUI;计算机辅助设计

Abstract MATLAB language is a very effective tool,and can be easily resolved in the system simulation and control system of teaching in the field of computer-aided design and research problems,it could be the bottom of the user from tedious programming liberate the limited spend more valuable time to solve scientific problems.The MATLAB GUI is the interactive interface.As the GUI itself provides the basic control windows support,and has a good mechanism for event-driven,while providing the MATLAB Math Library interface,the GUI for control system simulation platform for the design of it is suitable. GUI window generated for each user. Fig and.M file. The former is responsible for the design of the interface information,which is responsible for the design of the background code. Research done in this article is mainly based on MATLAB GUI platform,the basis of combination of control system theory and MATLAB Control System Toolbox,the realization of control systems for computer-aided analysis and design software. The main functions of the software: the realization of transfer function model input,the state equation model input,the model fitted for the control system stability analysis,system observability controllability judgments、rendering the system Nyquist diagram、Bode plots、root locus and Pole-zero distribution. While continuing to improve based on the principle of automatic control can be used for undergraduate teaching course experiments and scientific research in general. Key words:Control System;MATLAB GUI; Computer-assistant design

MATLAB与控制系统仿真及实验 2016(五)

MATLAB与控制系统仿真及实验 实验报告 (五) 2015- 2016 学年第 2 学期 专业: 班级: 学号: 姓名: 2016 年 5 月18日

实验五 SIMULINK系统仿真设计 一、实验目的 1、掌握SIMULINK工作环境及特点 2、掌握线性系统仿真常用的基本模块的用法 3、掌握SIMULINK的建模与仿真方法 4、子系统的创建和封装设计 二、实验设备及条件 计算机一台(包含MATLAB 软件环境)。 三、实验原理 Simulink是MATLAB的重要组成部分,提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。 1、 Simulink的基本模块 Simulink的模块库提供了大量模块。单击模块库浏览器中Simulink前面的“+”号,将看到Simulink模块库中包含的子模块库,单击所需要的子模块库,在右边的窗口中将看到相应的基本模块,选择所需基本模块,可用鼠标将其拖到模型编辑窗口。同样,在模块库浏览器左侧的Simulink栏上单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中单击Open the …Simulink? Libray 命令,将打开Simulink基本模块库窗口。单击其中的子模块库图标,打开子模块库,找到仿真所需要的基本模块。 Simulink中几乎所有模块的参数都允许用户进行设置,只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标右键并在弹出的快捷菜单中选择相应模块的参数设置命令就会弹出模块参数对话框。该对话框分为两部分,上面一部分是模块功能说明,下面一部分用来进行模块参数设置。同样,先选择要设置的模块,再在模型编辑窗口Edit菜单下选择相应模块的参数设置命令也可以打开模块参数对话框。 一个Simulink仿真模型的基本模块包括信源、信宿以及系统三个部分。其中,信源可以是常数、正弦波、阶梯波等信号源,信宿可以是示波器、图形记录仪等,系统则是被研究系统的SIMULINK方框图。系统、信源、信宿,可以从SIMULINK模块库中直接获得,也可以根据用户意愿用库中的模块构建而成。

MATLAB语言与控制系统仿真-参考答案-第7章

7.3控制系统根轨迹分析MATLAB 仿真实训 7.3.1实训目的 1. 掌握运用MATLAB 绘制180度、0度根轨迹图的编程方法; 2. 学会通过根轨迹图获取相关信息的方法; 3. 利用仿真结果对系统根轨迹进行分析; 4. 学会通过根轨迹图分析和解决一些实际问题。 7.3.2实训内容 1. 单位反馈系统的开环传递函数为 ) 3)(2()1()(+++= s s s s K s G g 试编程绘制闭环系统的根轨迹。并回答 (1)闭环系统稳定的g K 的取值范围; (2)系统的阶跃响应有超调的g K 的取值范围; (3)分离点的坐标。 %ggj01.m z=[-1]; p=[0;-2;-3]; k=[1]; sys=zpk(z,p,k); rlocus(sys) 系统稳定的g K 的取值范围:0>g K ; 系统的阶跃响应有超调的g K 的取值范围:419.0>g K 分离点的坐标:47.2-=d 2. 设单位反馈控制系统的开环传递函数为 ) 136)(5.3)(1()(2 ++++= s s s s s K s G 试编程绘制闭环系统的根轨迹。并回答 (1)闭环系统稳定的K 的取值范围;

(2)根轨迹与虚轴的交点坐标; (3)分离点的坐标。 ggj02.m %根轨迹仿真实训第2题 n=1; d=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,3.5],[1,6,13]))); rlocus(n,d) 由图上数据可知: 闭环系统稳定的K 的取值范围:9.700<

控制系统Matlab仿真 (传递函数)

控制系统仿真 [教学目的] 掌握数字仿真基本原理 控制系统的数学模型建立 掌握控制系统分析 [教学内容] 一、控制系统的数学模型 sys=tf(num,den)%多项式模型,num为分子多项式的系数向量,den为分母多项式的系%数向量,函数tf()创建一个TF模型对象。 sys=zpk(z,p,k)%z为系统的零点向量,p为系统的极点向量,k为增益值,函数zpk()创建一个ZPK模型对象。 (一)控制系统的参数模型 1、TF模型 传递函数 num=[b m b m-1b m-2…b1b0] den=[a m a m-1a m-2…a1a0] sys=tf(num,den) 【例1】系统的传递函数为。 >>num=[01124448]; >>den=[11686176105]; >>sys=tf(num,den); >>sys Transfer function: s^3+12s^2+44s+48 ------------------------------------- s^4+16s^3+86s^2+176s+105 >>get(sys) >>set(sys) >>set(sys,'num',[212])

>>sys Transfer function: 2s^2+s+2 ------------------------------------- s^4+16s^3+86s^2+176s+105 【例2】系统的传递函数为。 >>num=conv([20],[11]); >>num num= 2020 >>den=conv([100],conv([12],[1610])); >>sys=tf(num,den) Transfer function: 20s+20 ------------------------------- s^5+8s^4+22s^3+20s^2 【例3】系统的开环传递函数为,写出单位负反馈时闭环传递函数的TF模型。>>numo=conv([5],[11]); >>deno=conv([100],[13]); >>syso=tf(numo,deno); >>sysc=feedback(syso,1) Transfer function: 5s+5 ---------------------- s^3+3s^2+5s+5 【例4】反馈系统的结构图为: R

MATLAB控制系统仿真实验报告

清华大学自动化工程学院 实验报告 课程:控制系统仿真 专业自动化班级 122 姓名学号 指导教师: 时间: 2015 年 10 月 19 日— 10 月 28 日

目录 实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算 (1) 实验二 MATLAB语言的程序设计 (6) 实验三 MATLAB的图形绘制 (9) 实验四采用SIMULINK的系统仿真 (14) 实验五控制系统的频域与时域分析 (17) 实验六控制系统PID校正器设计法 (23)

实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算 一、实验时间及地点: 实验时间:2015.10.19上午8:30—9:30 实验地点:计算中心 二、实验目的: 1.熟悉MATLAB开发环境 2.掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算 三、实验内容: 1、新建一个文件夹(自己的名字命名,在机器的最后一个盘符) 2、启动MATLAB6.5,将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。 3、保存,关闭对话框 4、学习使用help命令,例如在命令窗口输入help eye,然后根据帮助说明,学习使用指 令eye(其它不会用的指令,依照此方法类推) 5、学习使用clc、clear,观察command window、command history和workspace等窗口的 变化结果。 6、初步程序的编写练习,新建M-file,保存(自己设定文件名,例如exerc1、exerc2、 exerc3……),学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。 注意:每一次M-file的修改后,都要存盘。 练习A: (1)help rand,然后随机生成一个2×6的数组,观察command window、command history和workspace等窗口的变化结果 (2)学习使用clc、clear,了解其功能和作用 (3)输入一个2维数值数组,体会标点符号的作用(空格和逗号的作用)。 (4)一维数组的创建和寻访,创建一个一维数组(1×8)X,查询X数组的第2个元素,查询X数组的第3个元素到第6个元素,查询X数组的第5个元素到最后 一个元素,查询X数组的第3、2、1个元素,查询X数组中≤5元素,将X数 组的第2个元素重新赋值为111,实例expm1。 (5)二维数组的创建和寻访,创建一个二维数组(4×8)A,查询数组A第2行、第3列的元素,查询数组A第2行的所有元素,查询数组A第6列的所有元素, 查询数组A按列拉长形成新的数组B(1×8),查询数组A按行拉长形成新的数组 C(1×8),以全元素赋值的方式对数组A赋值。 (6)两种运算指令形式和实质内涵的比较。设有3个二维数组A2×4,B2×4,C2×2,写出

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