《自动化+电气《计算机仿真技术》(2015版)实验指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化+电气《计算机仿真技术》(2015版)实验指导书（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机仿真技术实验指导书电气与信息工程学院实验中心1 前言计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真对象的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、 安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具，是自动化、电气工程及其自动化本科专业的专业必选课。计算机仿真离不开基本的专业理论知识和计算机编程，因此学习本门课程可以使同学们巩固相关专业领域的基本知识、原理和方法，训练编程能力，掌握仿真的基本概念，并将仿真技术应用在专业领域分析、问题的解决上面，为今后进一步的学习、科研打下基础。本实验课
2、程注重实践和理论结合，在实验室上机完成全部课程。结合课程和专业特点，实验指导书选取了：熟悉MATLAB 环境及基本运算、Matlab 程序设计基本方法、MATLAB 的图形绘制、 Simulink建模与仿真、控制系统的分析（1）时域分析、控制系统的分析（2）根轨迹分析、控制系统的频率特性分析这几部分内容，作为学习仿真技术的主要内容。希望同学们在实验课前要做好预习工作，掌握基本方法和原理，实验课堂上做好每个实验，对实验结果要做好必要的记录和保存，课后认真完成实验报告。只要认真对待每一次实验练习，相信同学们在专业理论知识和编程仿真实践上真正会有所收获。2 目录实验一 Simulink 建模与仿真（
3、设计性实验）. 3 实验二控制系统的分析（ 1）. 10 实验三控制系统的分析（ 2） （设计性实验） . 13 实验四 控制系统的频率特性分析（设计性实验）. 173 实验四Simulink 建模与仿真（设计性实验）一、实验目的1、学习 SIMULINK 软件工具的使用方法；2、用 SIMULINK 仿真线性系统。二 实验原理1、SIMULINK简介SIMULINK是 MATLAB软件的扩展， 它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows 的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程
4、上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用， 再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以 .mdl 文件进行存取） ，进而进行仿真与分析。2、SIMULINK的启动进入 SIMULINK界面，只要你在MA TLAB 命令窗口提示符下键入,SIMULINK? ，按回车键即可启动SIMULINK软件。在启动S IMULINK软件之后， SIMULINK的主要方块图库将显示在一个新的Windows 中。如图4-1 所示：?在 MATLAB命令窗口中输入sim
5、ulink ：结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。图 4-1 SIMULINK的主要方块图库4 3、SIMULINK的模块库介绍? SIMILINK模块库按功能进行分为以下8 类子库：Continuous （连续模块）Discrete（离散模块）Function1;2 nan25,2,22,21n0006045302n9 求阶跃响应， （用同一Scope显示） ；阶跃响应的时间：0t 10，阶跃信号幅值为+2V。分析参数变化（增加、减少与不变）对阶跃响应的影响。四、设计要求（或设计指标与要求）对照设计内
6、容和任务，设计和构建相应的MATLAB mdl文件，并调试运行得出正确结果。五、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLAB软件平台，包含SIMULINK仿真模块）。六、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，分析并比较结果。七、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、 MATLAB 平台中进行 SIMULINK 建模仿真，有哪些步骤？2、 如何设置仿真参数，比如仿真时间、仿真算法、波形显示等？10 实验五控制系统的分析（ 1）一、实验目的1、熟悉 MATLAB软件分析系统时域响应方法。通过观察典型二阶系统在单位阶跃、脉冲、斜坡信号作用下的动态特性，熟悉各种典型的响应曲线。
7、2、通过二阶系统定性及定量了解参数变化对动态特性的影响。分析参数变化时对系统响应的影响。二、设计内容（或设计任务）（一）一阶系统时域响应分析1、 一阶系统阶跃响应：图示 RC 网络为一阶系统，图 5-1 研究图 5-1 所示电路，其运动方程为：)()()(trtctcT式中， T=RC 为时间常数 .当初始条件为零时,其传递函数为11)()()(TssRsCs若 R=1 ，C=0.01F, 则 T=RC=0.01s。传递函数(s)= 1/(0.01s+1) ，求单位阶跃响应的 MATLAB 程序如下： 设 K=1、T=0.01 clear clear all num=1 ；den=0.01 1
8、；step(num,den) 执行后可得如下图形：图 5-2 11 2、求当 K=1， T=0.1, 0.5, 1 , 2s 时的阶跃响应，记录曲线列表求出ts 并分析。为读数方便，可加入step(num,den)； grid on。数据可保留两位有效数字 （二）位置随动系统可以用如下二阶系统模型描述：2222)()()(nnnsssRsCs n 自然频率， 相对阻尼系数1、试绘制 n=6 ， =0.2, 0.4, 1.0, 2.0时的单位阶跃响应。MATLAB程序：wn=6; kosi=0.1:0.2:1.0 ,2.0 ；figure(1) hold on for kos=kosi num=
9、wn.2 ；den=1,2*kos*wn,wn.2；step(num,den) end title(,Step Response?)hold off 2、绘制典型二阶系统，当 =0.7, n=2, 4, 6, 8时的单位阶跃响应。MATLAB程序：w=2:2:8 ；kos=0.5；figure(1) hold on for wn=w num=wn.2 ；den=1,2*kos*wn,wn.2 ；step(num,den) end title(,Step Response?)hold off 要求记录1、2 曲线波形，并求相应的% 、tr、ts、tp 列表分析实验结果，讨论参数变化对系12 统的
10、影响。3、求二阶系统的 =0.5 ， n=10时的单位冲激响应。2222)(nnnsssMATLAB 程序：wn =10 ；kos=0.5；figure(1) num=wn.2 ；den=1,2*kos*wn, wn.2；impulse(num,den) title(,Impulse Response?)；记录曲线波形并求ts、tp。4、求高阶系统的单位阶跃响应。1486)75(3)(2342sssssssMATLAB程序：num=3 15 21；den=1 6 8 4 1；step (num,den);grid title(, Step Response?)记录 3、4 波形并求 % 、tr
11、、ts、tp。上述程序如加语句：z, p=tf2zp(num,den) 则可以求出零极点，从而可判断系统的稳定性。三、设计要求（或设计指标与要求）对照设计内容和任务，编写和设计相应的MATLAB 程序文件，并调试运行得出正确结果。四、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLAB软件平台）。五、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，分析并比较结果。六、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、 控制系统的动态性能指标有哪些，指标含义是什么？2、 对于典型二阶系统，改变阻尼比 的取值，其阶跃响应曲线怎样变化，试分析原因？13 实验六控制系统的分析（ 2）（设计性实验）一、实验目
12、的1、 掌握 MATLAB软件绘制根轨迹的方法。2、 分析参数变化对根轨迹的影响。3、 利用根轨迹法对控制系统性能进行分析。二、实验原理1、根轨迹的概念经典控制理论中，为了避开直接求解高阶特征方程式根时遇到的困难，提出了一种图解求根的方法，即根轨迹法。根轨迹是指当系统的某个参数从零变化到无穷时，闭环特征方程的根在复平面上的变化曲线。常规根轨迹一般取开环增益K 作为可变参数，根轨迹上的点应满足根轨迹方程：1 )()()()(11*niimjjpszsKsHsG其中jz-开环零点，ip-开环极点，*K-根轨迹增益， 是一个变化的参数（0），AKK* ,A为一常数。系统结构图如下: 图 6-1 闭环
13、系统结构图闭环特征根（即根轨迹上的点）应满足（ 1） 幅值条件：1|)(|)(|)()(11*niimjjpszsKsAsBK；（ 2） 相角条件：)12()()(11kpszsniimjj。2、用 MATLAB 软件绘制根轨迹MATLAB7.0提供的工具箱给出了一系列关于根轨迹的函数，如表2-1 所示。使用这些函数能够很方便地绘制出系统的常规根轨迹和参数根轨迹，还能基于根轨迹对系统性能进行14 分析。表 6-1 根轨迹函数函数名函功能描述pzmap 绘制零极点rlocfind 计算给定根轨迹增益rlocus 计算并绘制根轨迹rltool 根轨迹设计GUI 工具sgrid 绘制连续时间系统根轨
14、迹和零极点图中的阻尼系数和自然频率网格zgrid 绘制离散时间系统根轨迹和零极点图中的阻尼系数和自然频率网格 pzmap 调用格式： pzmap(sys); p,z=pzmap(sys) rlocfind 调用格式： k,poles=rlocfind(sys); k,poles=rlocfind(sys,p) rlocus 调用格式： rlocus(sys); rlocus(sys,k); r,k=rlocus(sys); r=rlocus(sys,k) rltool 调用格式： rltool(plant); rltool(plant,comp) sgrid 调用格式： sgrid; sgri
15、d(z,wn) zgrid 调用格式： zgrid; zgrid(z,wn) 三、设计内容（或设计任务）系统的开环传递函数： )2)(1()()(*sssKsHsG ，绘制系统的根轨迹图。程序：num=1 ；den=1 3 2 0；rlocus(num,den) 执行后得到如下图形：-3-2-1012-3-2-10123Real AxisImagAxis图 6-2 图 开环传递根轨迹图15 1、 采用上述方法绘制开环传递函数0,)() 1()(*2* KasssKsG当 a=1, 0.5, 8, 10 时系统的根轨迹，记录根轨迹图并分析。2、绘制开环传递函数0,6)5()(*23* KssssKsG的闭环根轨迹，并确定根轨迹上任意点处的*K值及对应的闭环特征根。num=1 5; den=1 1 6 0; rlocus(num,den) k,p=rlocfind(num,den) gtext(k=0.5) 执行时先画出了根轨迹，并提示用户在图形窗口中选择根轨迹上的一点，以计算出增益K及相应的极点
