控制系统数字仿真与CAD第二章习题答案
2-1 思考题：
（1）数学模型的微分方程，状态方程，传递函数，零极点增益和部分分式五种形式，各有什么特点？
（2）数学模型各种形式之间为什么要互相转换？
（3）控制系统建模的基本方法有哪些？他们的区别和特点是什么？
（4）控制系统计算机仿真中的“实现问题”是什么含意？
（5）数值积分法的选用应遵循哪几条原则？
答：（1）微分方程是直接描述系统输入和输出量之间的制约关系，是连续控制系统其他数学模型表达式的基础。状态方程能够反映系统内部各状态之间的相互关系，适用于多输入多输出系统。传递函数是零极点形式和部分分式形式的基础。零极点增益形式可用于分析系统的稳定性和快速性。利用部分分式形式可直接分析系统的动态过程。
（2）不同的控制系统的分析和设计方法，只适用于特定的数学模型形式。
（3）控制系统的建模方法大体有三种：机理模型法，统计模型法和混合模型法。机理模型法就是对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理的分析简化建立起来的各物理量间的关系。该方法需要对系统的内部结构和特性完全的了解，精度高。统计模型法是采用归纳的方法，根据系统实测的数据，运用统计规律和系统辨识等理论建立的系统模型。该方法建立的数学模型受数据量不充分，数据精度不一致，数据处理方法的不完善，很难在精度上达到更高的要求。混合法是上述两种方法的结合。
（4）“实现问题”就是根据建立的数学模型和精度，采用某种数值计算方法，将模型方程转换为适合在计算机上运行的公式和方程，通过计算来使之正确的反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿真结果。
（5）数值积分法应该遵循的原则是在满足系统精度的前提下，提高数值运算的速
度和并保证计算结果的稳定。
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）=
32
432
72424
10355024
s s s
s s s s
+++
++++
(2)
.
X=
2.25 -5 -1.25 -0.54
2.25 -4.25 -1.25 -0.252
0.25 -0.5 -1.25 -12
1.25 -1.75 -0.25 -0.75 0
X
????
????
????
+????
????
????
u 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];
>> den=[1 10 35 50 24];
>> [A B C D]=tf2ss(num,den)
得到结果：A=
-10 -35 -50 -24
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
??
??
??
??
??
??
,B=
1
??
??
??
??
??
??
,C=[]
1 7 24 24,D=[0]
所以模型为:
.
X=
-10 -35 -50 -24
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
??
??
??
??
??
??
X+
1
??
??
??
??
??
??
u,y=[]
1 7 24 24X
(2)零极点增益:编写程序>> num=[1 7 24 24];
>> den=[1 10 35 50 24];
>> [Z P K]=tf2zp(num,den)
得到结果Z= -2.7306 + 2.8531 , -2.7306 - 2.8531i ,-1.5388
P= -4, -3 ,-2 ,-1
K=1
(3) 部分分式形式:编写程序>> num=[1 7 24 24];
>> den=[1 10 35 50 24];
>> [R P H]=residue(num,den)
得到结果R= 4.0000 ,-6.0000, 2.0000, 1.0000 P= -4.0000, -3.0000 , -2.0000 ,-1.0000 H=[]
G(s)=4621
4321
s s s s -+++
++++
（2）解：（1）传递函数模型参数：编写程序>> A=[2.25 -5 -1.25 -0.5
2.25 -4.25 -1.25 -0.25
0.25 -0.5 -1.25 -1 1.25 -1.75 -0.25 -0.75]；
>> B=[4 2 2 0]'; >> C=[0 2 0 2];
>> D=[0];
>> [num den]=ss2tf(A,B,C,D)
得到结果
num = 0 4.0000 14.0000 22.0000 15.0000 den =1.0000 4.0000 6.2500 5.2500 2.2500
32432
4 s + 14 s + 22 s + 15
()s + 4 s + 6.25 s + 5.25 s + 2.25
G s =
(2) 零极点增益模型参数:编写程序>> A=[2.25 -5 -1.25 -0.5
2.25 -4.25 -1.25 -0.25 0.25 -0.5 -1.25 -1 1.25 -1.75 -0.25 -0.75]；
>> B=[4 2 2 0]'; >> C=[0 2 0 2];
>> D=[0];
>> [Z,P,K]=ss2zp(A,B,C,D)
得到结果Z =-1.0000 + 1.2247i -1.0000 - 1.2247i -1.5000
P= -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660i -1.5000 -1.5000 K = 4.0000
表达式 ()()
()()()
4s+1-1.2247i s+1+1.2247i ()s+0.5-0.866i s+0.5+0.866i s+1.5G s =
（3）部分分式形式的模型参数：编写程序>> A=[2.25 -5 -1.25 -0.5
2.25 -4.25 -1.25 -0.25
0.25 -0.5 -1.25 -1 1.25 -1.75 -0.25 -0.75]；
>> B=[4 2 2 0]'; >> C=[0 2 0 2];
>> D=[0];
>> [num den]=ss2tf(A,B,C,D)
>> [R,P,H]=residue(num,den)
得到结果R = 4.0000 -0.0000 0.0000 - 2.3094i 0.0000 + 2.3094i
P = -1.5000 -1.5000 -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660i H =[]
4 2.3094 2.3094() 1.50.50.8660.50.866i i
G s s s i s i
=
-+
++-++
2-3.用欧拉法求下面系统的输出响应y(t)在0≤t ≤1上，h=0.1时的数值。 ',(0)1y y y =-=
要求保留4位小数，并将结果与真解()t y t e -=比较。
解：欧拉法1'0
0*(,)(,)()k k k k k k y y h f t y y f t y y t y
+=+??
=??=?（前向欧拉法,可以自启动）其几何意义：把f(t,y)在[,k k t y ]
区间内的曲边面积用矩形面积近似代替。利用matlab 提供的m 文件编程，得到算法公式。如下所示
（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;
for t=0:h:1
m=y;
disp(y); %显示y 的当前值% y=m-m*h;
end
保存文件q2.m
在matalb命令行中键入>> q2
得到结果函数的数值解为
y= 1 0.9000 0.8100 0.7290 0.6561 0.5905 0.5314 0.4783 0.4305 0.3874
0.3487
（2）另建一个m 文件求解t
y e-
=在t∈[0,1]的数值（%t
y e-
=是',(0)1
y y y
=-=的真解%）
程序为h=0.1;
disp('函数的离散时刻解为');
disp('y=');
for t=0:h:1
y=exp(-t);
disp(y);
end 保存文件q3.m
在matalb命令行中键入>> q3
函数的离散时刻解为
y= 1 0.9048 0.8187 0.7408 0.6703 0.6065 0.5488 0.4966 0.4493 0.4066 0.3679 比较欧拉方法求解与真值的差别
显然误差与2h为同阶无穷小，欧拉法具有一阶计算精度，精度较低，但算法简单。
2-4用二阶龙格库塔法求解2-3的数值解，并于欧拉法求得的结果比较。
解：我们经常用到预报-校正法的二阶龙-格库塔法，
112
1
21
'
()
2
(,)
(,)
(,)
k k
k k
k k
h
y y k k
k f t y
k f t h y hk
f t y y
+
?
=++
?
??
=
?
?=++
?
=
??
此方法
可以自启动，具有二阶计算精度，几何意义：把f(t,y)在[,k k t y ]区间内的曲边面积用上下底为k f 和1k f 、高为h 的梯形面积近似代替。利用matlab 提供的m 文件编程，得到算法公式。如下所示 （1）m 文件程序为 h=0.1;
disp('函数的数值解为');
disp('y='); y=1; for t=0:h:1
disp(y); k1=-y;
k2=-(y+k1*h); y=y+(k1+k2)*h/2;
end 保存文件q4.m
在matlab 的命令行中键入 >> q4 显示结果为 函数的数值解为
y= 1 0.9050 0.8190 0.7412 0.6708 0.6071 0.5494 0.4972 0.4500 0.4072 0.3685
（2） 比较欧拉法与二阶龙格-库塔法求解.（误差为绝对值）
明显误差为3h 得同阶无穷小，具有二阶计算精度，而欧拉法具有以阶计算精度，二阶龙格-库塔法比欧拉法计算精度高。
2-5．用四阶龙格-库塔法求解题2-3数值解，并与前两题结果相比较。
解：四阶龙格-库塔法表达式
11234
1
21
32
43
(22)
6
(,)
(,)
22
(,)
22
(,)
k k
k k
k k
k k
k k
h
y y k k k k
k f t y
h h
k f t y k
h h
k f t y k
k f t h y hk
+
?
=++++
?
?
=
?
??
=++
?
?
?
=++
?
?
=++
??
，其截断误差为5h同阶无
穷小，当h步距取得较小时，误差是很小的.
(1)编辑m文件程序h=0.1;
disp('四阶龙格-库塔方法求解函数数值解为');
disp('y=');
y=1;
for t=0:h:1
disp(y);
k1=-y;
k2=-(y+k1*h/2);
k3=-(y+k2*h/2);
k4=-(y+k3*h);
y=y+(k1+2*k2+2*k3+k4)*h/6;
end 保存文件q5.m
在matlab命令行里键入>> q5
得到结果四阶龙格-库塔方法求解函数数值解为
y= 1 0.9048 0.8187 0.7408 0.6703 0.6065 0.5488 0.4966 0.4493 0.4066 0.3679 (2)比较这几种方法：
对于四阶龙格-库塔方法
显然四阶龙格-库塔法求解精度很高，基本接近真值。三种方法比较可以得到
精度（四阶）〉精度（二阶）〉精度（欧拉）
2-6．已知二阶系统状态方程为.1111210111.2222021222(0);;(0)x a a x x b x u x b x x
a a x ??
????
????????=+=??????????????????????????
写出取计算步长为h 时，该系统状态变量X=[12,x x ]的四阶龙格-库塔法递推关系式。
解：四阶龙格-库塔法表达式1
12341213
243(22)6
(,)(,)22(,)22
(,)k k k k k k k k k k h y y k k k k k f t y h h k f t y k h h k f t y k k f t h y hk +?
=++++??
=???
=++??
?
=++??=++??
所以状态变量的递推公式可以写作：
A=11122122a a a a ??????
,B=12b b ??????,12x x x ??
=????可以写成.X AX Bu =+
则递推形式1
12341213
2
43*(22)6
(*/2)(*/2)(*)k k k k k k h X X k k k k k AX Bu k A X k h Bu k A X k h Bu
k A X k h Bu +?
=++++??
=+??
=++??=++??=++??
2-7单位反馈系统的开环传递函数已知如下 25100
()( 4.6)( 3.416.35)
s G s s s s s +=
+++
用matlab 语句 、函数求取系统闭环零极点，并求取系统闭环状态方程的可控标准型实现。
解：已知开环传递函数，求得闭环传递函数为2
5100
()( 4.6)( 3.416.35)5100
s G s s s s s s +=
+++++
在matlab 命令行里键入>> a=[1 0];
>> b=[1 4.6];
>> c=[1 3.4 16.35]; >> d=conv(a,b)； >> e=conv(d,c)
e = 1.0000 8.0000 31.9900 75.2100 0
>> f=[0 0 0 5 100]; >> g=e+f
g = 1.0000 8.0000 31.9900 80.2100 100.0000
%以上是计算闭环传递函数的特征多项式% >> p=roots(g) %计算特征多项式的根，就是闭环传递函
数的极点%
p =
-0.9987 + 3.0091i -0.9987 - 3.0091i -3.0013 + 0.9697i -3.0013 - 0.9697i >> m=[5 100]; >> z=roots(m)
z = -20 %计算零点%
综上：当闭环传函形如1111
11...()...n n n
n n n n b s b s b G s s a s a s a ----+++=++++时，可控标准型为： 1010...00001...00;00101n A B a a ????????????????==??????????
??--?????
?；[]1
1;0n n C b b b D -??==??
所以可控标准型是.11.22.33.44
123401000
001000
001010080.2131.9981
[100500][0]
x x x x u x x x x x x Y u x x ???????
????????????????
???=+??????????????????----??????
????????
??
????=-+????????
2-8用matlab 语言编制单变量系统三阶龙格-库塔法求解程序，程序入口要求能接收状态方程各系数阵（A,B,C,D ）,和输入阶跃函数r(t)=R*1(t);程序出口应给出输出量y （t ）的动态响应数值解序列
01,,......,n y y y 。
解：m 文件为：function y=hs(A,B,C,D,R,T,h) %T 为观测时间,h 为计算步长，R 为输入信号幅值% disp('数值解为');
y=0; r=R;
x=[0;0;0;0]; N=T/h; for t=1:N;
k1=A*x+B*R;
k2=A*(x+h*k1/3)+B*R; k3=A*(x+2*h*k2/3)+B*R;
x=x+h*(k1+3*k3)/4; y(t)=C*x+D*R; end
在命令行里键入A= B= C= D= R= T= h= y=hs(A,B,C,D,R,T,h) 得到结果。
2-9．用题2-8仿真程序求解题2-7系统的闭环输出响应y(t).
解：A=01000010000110080.2131.998??????????----??,B=0001??
??????????
,C=[100500]-,D=[0] 在命令行里键入>> A=[0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
-100 -80.21 -31.99 -8]; >> B=[0 0 0 1]'; >> C=[-100 5 0 0]; >> D=[0]; >> T=1; >> R=1; >> h=0.01;
>> y=hs(A,B,C,D,R,T,h)
数值解为
8.3333e-007
5.8659e-006
1.8115e-005
3.9384e-005
7.0346e-005
。
。
。
。%仅取一部分%
2-10.用式（2-34）梯形法求解试验方程'1
y y
τ
=-，分析对计算步长h有何限制，说明h对数值稳定性的影响。
解：编写梯形法程序为
112 1
2
()
2
1
11
() k k
k
k k
h
y y k k k y
k y y h
τ
ττ
+
?
=++
?
?
?
=-
?
?
?
=--
??
得到
2
12
(1)
2
k k
h h
y y
ττ
+
=-+稳定系统最终渐进收敛。
系统稳定则
2
2
11
2
h h
ττ
-+<计算得02
hτ
<<。
h的选取不能超出上述范围，否则系统不稳定。
2-11如图2-27所示斜梁滚球系统，若要研究滚球在梁上的位置可控性，需首先建立其数学模型，已知力矩电机的输出转矩M与其电流i成正比，横梁为均匀可自平衡梁（即当电机不通电且无滚球时，横梁可处于θ=0的水平状态），是建立系统的数学模型，并给出简化后系统的动态结构图。
解：设球的质心到杆的距离为0，该系统为特殊情况下的球棒系统。另令12,,I m I 分别表示棒的惯量、球的质量和球的惯量。则球质心的位置和速度为
(cos ,sin )
(cos sin ,sin cos )
c c x x x v v x v x θθθωθθωθ==-+
其中x v =，θω=。因而动能的移动部分为
因而动能的移动部分为 222
211
()22trans c K mv m v x ω==+
球棒系统的旋转动能为 221211()22rot
v K I I r
ω=+ 因而，系统总的动能trans rot K K K =+等于
222111
()22
K I mx mv ωλ=
++ 其中2
2
11I mr
λ=+
>为常数。 此系统的拉格朗日方程组为
()sin ()cos d T T
mg dt x x
d T T ki mg dt θθθθ?????-=-?????
???-=-????
综合以上公式的系统的方程组为
22
1
sin()0()2cos()m x mx mg I mx mxx mgx ki λθθθθθ?-+=?
?+++=?? 设系统在平衡点附近0θ?
≈，cos 1θ≈，sin θθ≈，则系统方程可化为
2
1
()m x mg I mx mgx ki λθθ+=??++=? 对上式进行拉普拉斯变换并化简后可得到()
()
X s I s 。 参考文献：
[1] Hauser, S. Sestry, and P. Kokotovic. “Nonlinear control via approximate input -output linearization”. IEEE Trans. on Automatic Control, vol.37:pp.392-398, 1992.
[2] R. Sepulchre. “S low peaking and low-gain designs for global stabilization of nonlinear systems”. submitted for IEEE TAC 1999.
[3] R. Sepulchre, M. Jankovic, and P. Kokotovic Constructive Nonlinear Control. Springer-Verlag, 1997.
[4] R. Teel. “Using Saturation to stabilize a class of single-input partially linear composite systems”. IFAC NOLCOS'92 Symposium, pages 369-374, June 1992.
2-12如图2-28所示双水箱系统中，in q 为流入水箱1的液体流量，out q 为流出水箱2的液体流量，试依据液容与液阻的概念，建立112()[(),(),(),()]out in Q s Q s H s Q s H s ∝的系统动态结构图。
解：根据液容和液阻的概念，可分别列出两个水箱的数学模型
1
1122112
112
2in out out dh C q q dt dh C q q dt h h q R h q R ?=-??
?=-??
?-?=
?
??=??
对上式进行在零初始条件下进行拉普拉斯变换得
11122
1121
122()()()
()()()
()()()()
()in out out
C sH s Q s Q s C sH s Q s Q s H s H s Q s R H s Q s R =-??=-??-=??
?=??
化简后可得
21122112221()1
()()1
out in Q s Q s R C R C s R C R C R C s =++++ 122()1
()1out Q s Q s R C s =+ 11222()1
()1
out Q s H s R R C s R =++ 22
()1
()out Q s H s R =
1 ()s
2()s
现代工程控制理论 实验报告 实验名称：控制系统数字仿真技术 实验时间： 2015/5/3 目录 一、实验目的 (2) 二、实验容 (3)
三、实验原理 (3) 四、实验方案 (6) 1、分别离散法； (6) 2、整体离散法； (7) 3、欧拉法 (9) 4、梯形法 (9) 5、龙格——库塔法 (10) 五、实验结论 (11) 小结： (14) 一、实验目的 1、探究多阶系统状态空间方程的求解； 2、探究多种控制系统数字仿真方法并对之进行精度比较；
二、 实验容 1、 对上面的系统进行仿真，运用分别离散法进行分析； 2、 对上面的系统进行仿真，运用整体离散法进行分析； 3、 对上面的系统进行仿真，运用欧拉法进行分析； 4、 对上面的系统进行仿真，运用梯形法进行分析； 5、 对上面的系统进行仿真，运用龙泽——库塔法进行分 析； 6、 对上面的几种方法进行总计比较，对他们的控制精度分 别进行分析比较； 三、 实验原理 1、 控制系统状态空间方程整体离散法的求解； 控制系统的传递函数一般为 x Ax Bu Y Cx Du ? =+=+ 有两种控制框图简化形式如下： KI 控制器可以用框图表示如下：
惯性环节表示如下： 高阶系统(s)(1)n K G T = +的框图如下 对于上面的框图可以简写传递函数 x Ax Bu Y Cx Du ? =+=+ 根据各环节间的关系可以列写出式子中出现的系数A 、B 、C 和D ，下面进行整体离散法求传递函数的推导
00 ()0 ...*()...()(t)(0)...*(t)(0)(t)(0)()(0)At At At At At t t At t t A AT t AT A At t t At At A At A t x Ax Bu e e x e Ax e Bu d e x dt Bue dt dt e x Bue dt e x x Bue d e x x e e Bue d x x e Bue d t KT x kT x e τ ττ τττττ ? -? -----------=+=+=?=?=+=+?=+==????? ?①①得②③ ③得令()0 (1)(1)[(1)]0 (1)[(1)]0 ...(1)[(1)](0)...*(1)()(1)T (1)()()() ,kT A kT A kT k T A k T A k T AT k T AT A k T kT T T AT At AT At AT Bue d t K T x k T x e Bue d e x k e x k Bue d k t x k e x k e Budt e x k e Bdt u k e ττττττ τ?-+?++-++-+=++=+-+-=+-=+=+=+?Φ=? ? ? ??④ 令⑤ ⑤④得令令0 (1)()(1) T At m m e Bdt x k x k x k Φ=+=Φ?+Φ?+?得 这样，如果知道系数，就可以知道高阶系统的传递函数和状态空间方程。 2、 在控制系统的每一个环节都加一个采样开关，构成分别 离散法求解系统的状态空间方程； 采样开关其实是一个零阶保持器
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： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R 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 L r 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 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 ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
上海市高等教育自学考试 工业自动化专业（独立本科段）（B080603）控制系统数字仿真 (02296) 自学考试大纲 上海交通大学自学考试办公室编上海市高等教育自学考试委员会组编 2013年
I、课程的性质及其设置的目的和要求 （一）本课程的性质与设置的目的 “控制系统数字仿真”是利用数字计算进行各种控制系统分析、设计、研究的有力工具，是控制系统工程技术人员必须掌握的一门技术。 本课程是工业自动化专业的专业课程，也是一门理论和实际紧密结合的课程。 通过本课程的学习，学生能掌握系统仿真的基本概念、基本原理及方法；掌握基本的仿真算法及能用高级编程语言在微机上编程实现，学会使用常用的仿真软件。为学习后继课程、从事工程技术工作、科学研究以及开拓性技术工作打下坚实的基础。 （二）本课程的基本要求 1．要求掌握系统、模型、仿真的基本概念，这是学好仿真这门课程的概念基础。 2．掌握常用的连续系统数学仿真算法及能用某种高级编程语言上机实现。 3．初步掌握利用微机来分析、设计、研究控制系统的方法与仿真技术。 （三）本课程与相关课程的联系 先修课程：自动控制原理、现代控制理论基础、高级编程语言。
II、课程内容与考核目标 第1章概论 （一）学习目的和要求 通过本章学习，了解系统的概念，系统的分类方法及特点，仿真的应用目的。了解模型的基本概念，熟悉模型的分类方法及特点。掌握仿真的基本概念，仿真的分类方法及特点。熟悉仿真的一般步骤，仿真技术的应用，熟悉计算机仿真的三要素及基本活动。 （二）课程内容 第一节系统、模型与仿真 1.系统 2.模型 3.仿真 4.仿真科学与技术的发展沿革 第二节系统仿真的一般知识 1.相似理论 2.基于相似理论的系统仿真 3.系统仿真的类型 4.系统仿真的一般步骤 第三节仿真科学与技术的应用 1.仿真在系统设计中的应用 2.仿真在系统分析中的应用 3.仿真在教育与训练中的应用 4.仿真在产品开发及制造过程中的应用 第四节当前仿真科学与技术研究的热点 1.网络化仿真技术 2.复杂系统/开放复杂巨系统的建模与仿真
控制系统数字仿真题库 一、填空题 1. 定义一个系统时，首先要确定系统的边界；边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以为环境的作用称为系统的输出。2．系统的三大要素为：实体、属性和活动。 3．人们描述系统的常见术语为：实体、属性、事件和活动。 4．人们经常把系统分成四类，它们分别为：连续系统、离散系统、采样数据系统和离散-连续系统。 5、根据系统的属性可以将系统分成两大类：工程系统和非工程系统。 6．根据描述方法不同，离散系统可以分为：离散时间系统和离散事件系统。7. 系统是指相互联系又相互作用的实体的有机组合。 8．根据模型的表达形式，模型可以分为物理模型和数学模型二大类，其中数学模型根据数学表达形式的不同可分为二种，分别为：静态模型和动态模型。 9、采用一定比例按照真实系统的样子制作的模型称为物理模型，用数学表达式来描述 系统内在规律的模型称为数学模型。 10．静态模型的数学表达形式一般是代数方程和逻辑关系表达式等，而动态模型的数学表达形式一般是微分方程和差分方程。 11．系统模型根据描述变量的函数关系可以分类为线性模型和非线性模型。12 仿真模型的校核是指检验数字仿真模型和数学模型是否一致。 13．仿真模型的验证是指检验数字仿真模型和实际系统是否一致。 14．计算机仿真的三个要素为：系统、模型与计算机。 15．系统仿真的三个基本活动是系统建模、仿真建模和仿真试验。 16．系统仿真根据模型种类的不同可分为：物理仿真、数学仿真和数学-物理混合仿真。17．根据仿真应用目的的不同，人们经常把计算机仿真应用分为四类，分别为： 系统分析、系统设计、理论验证和人员训练。18．计算机仿真是指将模型在计算机上进行实验的过程。 19. 仿真依据的基本原则是:相似原理。 20. 连续系统仿真中常见的一对矛盾为计算速度和计算精度。 21．保持器是一种将离散时间信号恢复成连续信号的装置。 22．零阶保持器能较好地再现阶跃信号。 23. 一阶保持器能较好地再现斜坡信号。 24. 二阶龙格-库塔法的局部截断误差为O()。 25．三阶隐式阿达姆斯算法的截断误差为:O()。 26．四阶龙格-库塔法的局部截断误差为O()。 27．根据计算稳定性对步长h是否有限制，数值积分算法可以分为二类，分别是：条
控制系统数字仿真题库 填空题 1.定义一个系统时，首先要确定系统的；边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的，系统对边界以外环境的作用称为系统的。 1.定义一个系统时，首先要确定系统的边界；边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以外环境的作用称为系统的输出。 2．系统的三大要素为：、和。 2．系统的三大要素为：实体、属性和活动。 3．人们描述系统的常见术语为：、、和 3．人们描述系统的常见术语为：实体、属性、事件和活动。 4．人们经常把系统分成四类，分别为：、、和 4．人们经常把系统分成四类，它们分别为：连续系统、离散系统、采样数据系统和离散-连续系统。 5、根据系统的属性可以将系统分成两大类：和。 5、根据系统的属性可以将系统分成两大类：工程系统和非工程系统。 6．根据描述方法不同，离散系统可以分为： 和。 6．根据描述方法不同，离散系统可以分为：离散时间系统和离散事件系统。 7. 系统是指相互联系又相互作用的的有机组合。 7. 系统是指相互联系又相互作用的实体的有机组合。 8．根据模型的表达形式，模型可以分为和数学模型二大类，期中数学模型根据数学表达形式的不同可分为二种，分别为：和。8．根据模型的表达形式，模型可以分为物理模型和数学模型二大类，期中数学模型根据数学表达形式的不同可分为二种，分别为：静态模型和动态模型。 9．连续时间集中参数模型的常见形式为有三种，分别为：、和。 9．连续时间集中参数模型的常见形式为有三种，分别为：微分方程、状态方程和传递函数。 10、采用一定比例按照真实系统的样子制作的模型称为，用数学表达式来描述系 统内在规律的模型称为。 10、采用一定比例按照真实系统的样子制作的模型称为物理模型，用数学表达式来描述系统 内在规律的模型称为数学模型。 11．静态模型的数学表达形式一般是方程和逻辑关系表达式等，而动态模型的数学表达形式一般是方程和方程。 11．静态模型的数学表达形式一般是代数方程和逻辑关系表达式等，而动态模型的数
控制系统仿真课程设计 （2010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2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
哈尔滨理工大学实验报告 控制系统仿真 专业：自动化12-1 学号：1230130101 姓名：
一．分析系统性能 课程名称控制系统仿真实验名称分析系统性能时间8.29 地点3# 姓名蔡庆刚学号1230130101 班级自动化12-1 一．实验目的及内容： 1. 熟悉MATLAB软件的操作过程； 2. 熟悉闭环系统稳定性的判断方法； 3. 熟悉闭环系统阶跃响应性能指标的求取。 二．实验用设备仪器及材料： PC, Matlab 软件平台 三、实验步骤 1. 编写MATLAB程序代码； 2. 在MATLAT中输入程序代码，运行程序； 3.分析结果。 四．实验结果分析： 1.程序截图
得到阶跃响应曲线 得到响应指标截图如下
2.求取零极点程序截图 得到零极点分布图 3.分析系统稳定性 根据稳定的充分必要条件判别线性系统的稳定性最简单的方法是求出系统所有极点,并观察是否含有实部大于0的极点，如果有系统不稳定。有零极点分布图可知系统稳定。
二．单容过程的阶跃响应 一、实验目的 1. 熟悉MATLAB软件的操作过程 2. 了解自衡单容过程的阶跃响应过程 3. 得出自衡单容过程的单位阶跃响应曲线 二、实验内容 已知两个单容过程的模型分别为 1 () 0.5 G s s =和5 1 () 51 s G s e s - = + ，试在 Simulink中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。 三、实验步骤 1. 在Simulink中建立模型，得出实验原理图。 2. 运行模型后，双击Scope，得到的单位阶跃响应曲线。 四、实验结果 1．建立系统Simulink仿真模型图，其仿真模型为
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
控制系统数字仿真 题型举例与总复习 一、填空题 A类基本概念题型 1、系统是指相互联系又相互作用的实体的有机组合。 2、定义一个系统时，首先要确定系统的边界；边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以为环境的作用称为系统的输出。 3、系统的三大要素为：实体、属性和活动。 4、根据系统的属性可以将系统分成两大类：工程系统和非工程系统。 5、相似原理用于仿真时，对仿真建模方法的三个基本要求是稳定性、准确性和快速性。 6、根据模型种类不同，系统仿真可分为三种：物理仿真、数字仿真和半实物仿真。 7、按照系统模型特征分类，仿真可分为连续系统仿真及离散事件系统仿真两大类。 8、采用一定比例按照真实系统的样子制作的模型称为物理模型，用数学表达式来描述系统内在规律的模型称为数学模型。 9、计算机仿真是指将模型在计算机上进行试验的过程。 10、系统仿真的三个基本活动是系统建模、仿真建模和仿真试验，计算机仿真的三个要素为：系统、模型与计算机。 11、如果某数值计算方法的计算结果对初值误差和计算误差不敏感，则称该计算方法是稳定的。 12、数值积分法步长的选择应遵循的原则为计算稳定性及计算精度。 13、采样数值积分方法时有两种计算误差，分别为截断误差和舍入误差。 14、三阶隐式啊达姆氏算法的截断误差为O(?4)，二阶龙格-库塔法的局部截断误差为O(?3)，四阶龙格-库塔法的局部截断误差为O(?5)。 15、在判定数值积分方法的稳定域时，使用的测试方程为y?=μy。 16、龙格-库塔法的基本思想是用几个点上函数值的线性组合来避免计算函数的高阶导数，提高数值计算的精度。 17、连续系统仿真中常见的一对矛盾为计算速度和计算精度。 18、离散相似法在采样周期的选择上应当满足采样定理。 19、保持器是一种将离散时间信号恢复成连续信号的装置，零阶保持器能较好地再现阶跃信号，一阶保持器能较好地再现斜坡信号。 20、实际信号重构器不可能无失真地重构信号，具体表现为信号重构器会对被重构的信号产生相位的滞后和幅度的衰减。 21、一般将采样控制系统的仿真归类为连续系统仿真。 22、在控制理论中，由系统传递函数来建立系统状态方程的问题被称为“实现问题”。 23、常用的非线性环节包括:饱和非线性、失灵非线性、迟滞回环非线性。
控制系统数字仿真课程设计 1．课程设计应达到的目的 1、通过Matlab仿真熟悉课程设计的基本流程； 2、掌握控制系统的数学建模及传递函数的构造； 3、掌握控制系统性能的根轨迹分析； 4、学会分析系统的性能指标； 2．课程设计题目及要求 设计要求 1、进行系统总体设计，画出原理框图。（按给出的形式，自行构造数学模型，构造成1 个零点，三个极点的三阶系统，主导极点是一对共轭复根） G（s）=10(s+2)/(s+1)(s2+2s+6) 2、构造系统传递函数，利用MATLAB绘画系统的开环和闭环零极点图；(分别得 到闭环和开环的零极点图)参考课本P149页例题4-30 clear; num = [10,20]; den =[1 3 8 6]; pzmap(num,den) 3、利用MATLAB绘画根轨迹图，分析系统随着根轨迹增益变化的性能。并估算超 调量=16.3%时的K值（计算得到）。参考课本P149页例题4-31 clear num=[10,20]; den=[1 3 8 6]; sys=tf(num,den); rlocus(sys) hold on jjx(sys); s=jjx(sys); [k,Wcg]=imwk(sys)
set(findobj('marker','x'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); set(findobj('marker','o'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); function s=jjx(sys) sys=tf(sys); num=sys.num{1}; den=sys.den{1}; p=roots(den); z=roots(num); n=length(p); m=length(z); if n>m s=(sum(p)-sum(z))/(n-m) sd=[]; if nargout<1 for i=1:n-m sd=[sd,s] end sysa=zpk([],sd,1); hold on; [r,k]=rlocus(sysa); for i=1:n-m plot(real(r(i,:)),imag(r(i,:)),'k:'); end end else disp; s=[]; end function [k,wcg]=imwk(sys) sys=tf(sys) num=sys.num{1} den=sys.den{1}; asys=allmargin(sys); wcg=asys.GMFrequency; k=asys. GainMargin;
自动控制原理及系统仿 真课程设计 学号：1030620227 姓名：李斌 指导老师：胡开明 学院：机械与电子工程学院
2013年11月
目录 一、设计要求 (1) 二、设计报告的要求 (1) 三、题目及要求 (1) （一）自动控制仿真训练 (1) （二）控制方法训练 (19) （三）控制系统的设计 (23) 四、心得体会 (27) 五、参考文献 (28)
自动控制原理及系统仿真课程设计 一：设计要求： 1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。 2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。 3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。 4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。 二：设计报告的要求： 1.理论分析与设计 2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。 3.设计中的心得体会及建议。 三：题目及要求 一）自动控制仿真训练 1.已知两个传递函数分别为：s s x G s x G +=+= 22132)(,131)(
①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示； MATLAB代码： num=[1] den=[3 1] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) num=[2] den=[3 1 0] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) 仿真结果： num =2 den =3 1 0 Transfer function: 2 --------- 3 s^2 + s
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
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/8c598130.html, 基于PLC的控制系统仿真平台的应用 作者：罗卫东 来源：《卷宗》2012年第02期 摘要：仿真软件在PLC设计中占有举足轻重的地位，因为对于PLC系统的新编程序来说实际操作会有很大的风险，PLC的一个错误指令就会造成设备和操作人员不可预计的伤害。在网络上，用户可以安装这种软件，从开放式的资料库中获取所需要的各种功能部件。本文就从仿真软件在网络以及PLC设计中的应用方面来进行探索。 关键词：仿真软件；网络应用；PLC设计 仿真软件是通过建立网络设备和网络链路达到网络应用的标准，这是种通过模拟网络流量就可以获取到网络设计中所需要的相关数据的仿真软件。现阶段，我国工业发展都朝着高速大型化和自动化的方向发展，重大生产设备的运用使得成本日益增高，对运行操作人员素质要求也日益提高。由于仿真系统可以近乎真实的贴近现场实际，同时因为不需要到现场实际节省了很大的操作空间，而快速提高了现场的调试效率，降低了用于调试系统的费用和风险。 一、仿真软件的功能 1、控制程序运行 在PLC设计中仿真软件可以仿真其过程映像的输入输出，在仿真窗口改变运行程序的输入变量的ON/OFF状态进行控制程序，观察输出的变量状态能否符合要求、程序运行能否达到正确运行的目标，起到监视程序运行结果的作用。 2、防止程序出错 在程序运行过程中，仿真软件会通过对程序的检测修改定时器、计数器等。也可以通过程序自动运行或手动复位定时器。这样的检测不仅能够发现程序中的错误和缺陷，还可以使PLC 设计更加的完美。也可以在PLC设计过程中使用软件来改变它的控制过程，而PLC使用者对程序的编写和调试是必不可少的。 3、拥有储存记忆功能 仿真软件模拟是针对软元件、缓冲存储器、外设输入/出的读写。它的这项功能既可以存储PLC内的软元件、存储器的缓冲存储器的数据，并可以将这种数据使用到以后的调试工作中。如果用户想要收集相关网络设备中的某些特殊代码时，可以通过层次上的编程来收集自己感兴趣的网络代码。但在网络信息相对复杂的环境下，使用者的程序必须进行现场调试，而在这个过程中往往会出现一些差错，使用者直接将程序应用到实际操作系统中进行控制调试的话，会被设备带来一定的未知风险。
《控制系统数字仿真》课程 大作业 姓名： 学号： 班级： 日期： 同组人员：
目录 一、引言 (2) 二、设计方法 (2) 1、系统数学模型 (2) 2、系统性能指标 (4) 2.1 绘制系统阶跃响应曲线、根轨迹图、频率特性 (4) 2.2 稳定性分析 (6) 2.3 性能指标分析 (6) 3、控制器设计 (6) 三、深入探讨 (9) 1、比例-微分控制器(PD) (9) 2、比例-积分控制（PI） (12) 3、比例-微分-积分控制器（PID） (14) 四、设计总结 (17) 五、心得体会 (18) 六、参考文献 (18)
一、引言 MATLAB语言是当今国际控制界最为流行的控制系统计算机辅助设计语言，它的出现为控制系统的计算机辅助分析和设计带来了全新的手段。其中图形交互式的模型输入计算机仿真环境SIMULINK，为MATLAB应用的进一步推广起到了积极的推动作用。现在，MATLAB语言已经风靡全世界，成为控制系统CAD领域最普及、也是最受欢迎的软件环境。 随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已发展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域中，成为现代社会生活中不可或缺的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。作为一个自动化专业的学生，了解和掌握自动控制的有关知识是十分必要的。 利用MATLAB软件及其SIMULINK仿真工具来实现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真，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，以满足特定的设计指标。 二、设计方法 1、系统数学模型 美国卡耐尔基-梅隆大学机器人研究所开发研制了一套用于星际探索的系统，其目标机器人是一个六足步行机器人，如图(a)所示。该机器人单足控制系统结构图如图(b)所示。 要求： （1）建立系统数学模型； （2）绘制系统阶跃响应曲线、根轨迹图、频率特性； （3）分析系统的稳定性，及性能指标； （4）设计控制器Gc(s)，使系统指标满足：ts<10s,ess=0,，超调量小于5%。
吉大16春学期《控制系统数字仿真》在线作业一 一、单选题( 共 15 道试题, 共 30 分。) 1. 数值积分法中, 其计算精度p=2的算法是( ) 。 A. 欧拉法 C. 四阶—龙格库塔法 D. 以上都不是 满分: 2 分 2. i=2; a=2i;b=2*i;c=2*sqrt(-1);程序执行后; a, b, c的值分别是( ) 。 A. a=4,b=4,c=2.0000i B. a=4,b=2.0000i, c=2.0000i D. a=2.0000i,b=2.0000i,c=2.0000i 满分: 2 分 3. 下列哪条指令是求矩阵的行列式的值( ) 。 A. inv B. diag
D. eig 满分: 2 分 4. CAD软件中我们一般都用( ) 单位来做图以达到最佳的效果。 A. 米 B. 厘米 D. 分米 满分: 2 分 5. 在CAD命令输入方式中以下不可采用的方式有( ) 。 A. 点取命令图标 B. 在菜单栏点取命令 C. 用键盘直接输入 满分: 2 分 6. 角度x=[30 45 60], 计算其正弦函数的运算为( ) 。 A. SIN( deg2rad(x))
B. SIN(x) C. sin(x) 满分: 2 分 7. 绘制系统奈氏曲线的命令是( ) 。 A. step B. pzmap D. sgrid 满分: 2 分 8. 已知a=2:2:8, b=2:5, 下面的运算表示式中, 出错的为( ) 。 A. a'*b B. a.*b D. a-b 满分: 2 分 9. 下列哪个变量的定义是不合法的( ) 。
B. xyz_3 C. abcdef D. x3yz 满分: 2 分 10. AutoCAD中的图层数最多可设置为( ) 。 A. 10层 C. 5层 D. 256层 满分: 2 分 11. 计算机辅助设计的英文缩写是( ) 。 B. CAM C. CAE D. CAT 满分: 2 分
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机电工程学院专业 班级 学生姓名 学号 课程设计地点 课程设计学时 指导教师 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 无积分作用单回路控制系统
大比例作用单回路控制系统 （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；增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长，加入微分环节，有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加。 (2)．串级控制系统的设计及仿真。 （a）已知主被控对象传函W 01(s) = 1 / (100s + 1)，副被控对象传函W 02 (s) = 1 / (10s + 1)，副环干扰通道传函W d (s) = 1/(s2 +20s + 1)。 （b）画出串级控制系统方框图及相同控制对象下的单回路控制系统的方框图。（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。
实验总要求 1、封面必须注明实验名称、实验时间和实验地点，实验人员班级、学号（全号）和姓名等。 2、内容方面：注明实验所用设备、仪器及实验步骤方法；记录清楚实验所得的原始数据和图像，并按实验要求绘制相关图表、曲线或计算相关数据；认真分析所得实验结果，得出明确实验结论。 3、图形可以打印出来并剪贴上去，文字必须用标准试验纸手写。
实验一MATLAB绘图基础 一、实验目的 了解MATLAB常用命令和常见的内建函数使用。 熟悉矩阵基本运算以及点运算。 掌握MATLAB绘图的基本操作：向量初始化、向量基本运算、绘图命令plot,plot3,mesh,surf 使用、绘制多个图形的方法。 二、实验内容 建立并执行M文件multi_plot.m，使之画出如图的曲线。
三、实验方法（参考程序） 四、实验要求 1.分析给出的MA TLAB参考程序，理解MA TLAB程序设计的思维方法及其结构。 2.添加或更改程序中的指令和参数，预想其效果并验证，并对各语句做出详细注释。对不 熟悉的指令可通过HELP查看帮助文件了解其使用方法。达到熟悉MA TLAB画图操作的目的。 3.总结MATLAB中常用指令的作用及其调用格式。 五、实验思考 1、实现同时画出多图还有其它方法，请思考怎样实现，并给出一种实现方法。 (参考程序如下)
%hold on;hold off命令
2、思考三维曲线（plot3）与曲面(mesh, surf)的用法，（1）绘制参数方程 233,)3cos(,)3sin()(t z e t t y e t t t x t t ===--的三维曲线；（2）绘制二元函数 xy y x e x x y x f z ----==22)2(),(2 ，在XOY 平面内选择一个区域(-3:0.1:3,-2:0.1:2)，然后绘 制出其三维表面图形。(以下给出PLOT3和SURF 的示例)
1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？ 答：仿真是建立在控制理论，相似理论，信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识，统汁数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。 它所遵循的基本原则是相似原理。 1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区別？各有什么特点？ 答：解析法就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析，il?算。它是一种纯物理意义上的实验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全而性等因素的影响，其应用往往有很大局限性。 仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法。 1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？ 答：通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与让算机。由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模问题：将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。 1-4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何？o 答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的下?扰，模拟仿真较数字仿真精度低 但模拟仿真具有如下优点： （1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。 （2）仿真速度极快，失真小，结果可信度髙。 （3）能快速求解微分方程。模拟汁算机运行时0运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。 （4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进行非实时仿真。 （5）易于和实物相连。 1-5什么是CAD技术？控制系统CAD可解决那些问题？ 答：CAD技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design），是将计算机高速而精确的计算能力, 大容量存储和数据的能力与设讣者的综合分析，逻辑判断以及创造性思维结合起来，用以快速设计进程，缩短设计周期，提髙设计质量的技术。 控制系统CAD可以解决以频域法为主要内容的经典控制理论和以时域法为主要内容的现代控制理论。此外，自适应控制，自校正控制以及最优控制等现代控制测略都可利用CAD技术实现有效的分析与设计。 1-6什么是虚拟现实技术？它与仿真技术的关系如何？ 答：虚拟现实技术是一种综合了计算机图形技术，多媒体技术，传感器技术，显示技术以及仿真技术等多种学科而发展起来的高新技术。 1-7什么是离散系统？什么是离散事件系统？如何用数学的方法描述它们？ 答：本书所讲的“离散系统”指的是离散时间系统，即系统中状态变量的变化仅发生在一组离散时刻上的系统*它一般采用差分方程.离散状态方程和脉冲传递函数来描述。 离散事件系统是系统中状态变量的改变是由离散时刻上所发生的事件所驱动的系统。这种系统的输入输出是随机发生的，一般采用概率模型来描述。 1-8如图1-16所示某卫星姿态控制仿真实验系统，试说明： （1）若按模型分类，该系统属于那一类仿真系统？ （2）图中“混合汁算机”部分在系统中起什么作用？ （3）与数字仿真相比该系统有什么优缺点？ 答：（1）按模型分类，该系统属于物理仿真系统“ （2）混合计算机集中了模拟仿真和数字仿真的优点，它既可以与实物连接进行实时仿真，计算一些复杂函数，又可以对控制系统进行反复迭代讣算。其数字部分用来模拟系统中的控制器，而模拟部分用于模拟控制对象。（4）与数字仿真相比，物理仿真总是有实物介入，效果逼真，精度高，具有实时性与在线性的特点, 但其构成复杂，造价较髙，耗时过长，通用性不强。