《实验一 MATLAB 中控制系统模型的建立与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验一 MATLAB 中控制系统模型的建立与仿真（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验一 MATLAB中控制系统模型的建立与仿真一、实验目的(1) 熟悉MATLAB控制系统工具箱中线性控制系统传递函数模型的相关函数。(2) 熟悉SIMULINK模块库，能够使用SIMULINK进行控制系统模型的建立及仿真。二、实验仪器PC计算机一台，MATLAB软件1套三、实验内容1. 熟悉线性控制系统传递函数模型的相关函数。(1) tf ()函数可用来输入系统的传递函数该函数的调用格式为G = tf ( num, den );其中num, den分别为系统传递函数的分子和分母多项式系数向量。返回的G为系统的 传递函数形式。但如果分子或分母多项式给出的不是完全的展开的形式，而是若干个因式的乘
2、积，则事 先需要将其变换为完全展开的形式，两个多项式的乘积在MATLAB下借用卷积求取函数 conv()得出，其调用格式为p=conv(p1,p2)MATLAB还支持一种特殊的传递函数的输入格式，在这样的输入方式下，应该先用 s=tf(s)定义传递函数算子，然后用数学表达式直接输入系统的传递函数。s3 + 5s2 + 3s + 2请自己通过下面两个例子来演示和掌握f()和s=tf(s)算子这两种输入方式。例1设系统传递函数G =s4 + 2s3 + 4s2 + 3s +1输入方式一：num = 1, 5, 3, 2; den = 1, 2, 4, 3, 1; %分子多项式和分母多项式系数向量G
3、 = tf ( num, den ) %这样就获得系统的数学模型G输入方式二：s=tf(s); G=( sA3 + 5* sA2 + 3* s + 2)/( sA4 + 2*sA3 + 4* sA2 + 3* s + 1) 任务一：将下列传递函数分别采用上面两种输入方式进行输入，并记录命令。s + 5s4 + 2s3 + 3s + 4 mini = lj 5 ; den = lt 23 $ 4: G = tf ( nunij den )G =33 + 2 32 + 3 s + 4Continuous-time transfer function.fx I G =义s + 2.4)(s + 1)
4、2( s 2 + 3s + 4)( s 2 + 1)提示：借助conv()函数获得分子和分母多项式系数conv表示相乘，如(s+1) (s+2),conv(1,1,1,2)(2) tfdata()函数可提取控制系统传递函数的分子多项式num和分母多项式den 如输入命令：s=tf(s);G=5*(s+2.4)/(s+1)2*(s”2+3*s+4)*(s”2+1)num,den=tfdata(G,v) %其中表示想获得num和den的数值 s=tf (J sJ ) ;G=5* (s+2.1/(s+1) 2*(s 2+3*s+4) * s2+1)num, den =tf dat a (G,J vJ
5、)G =5 s + 12s6 + 5 日5 + 12 mW + 16 s3 + 15 32 + 11 s + 4Continuous-time transfer function.num 二00000512den =15121615114任务二：在MATLAB命令窗口中验证以上命令。(3) zpk ()函数可得到控制系统的零极点形式的传递函数该函数的调用格式为G = zpk(乙P,K)其中K为系统传函零极点形式的增益，乙P分别为系统传递函数的零点和极点列向量。 返回的G为传递函数形式。例3 设系统传递函数 G = & +1539)(s + 2.7305 + 2.8538项)(s + 2.730
6、5-2.8538j)八”(s + 4)( s + 3)(s + 2)(s +1)任务三：在MATLAB命令窗口中验证下面的命令：Z=-1.539; -2.7305+2.8538i;-2.7305-2.8538i; %注意使用列向量，另外注意符号P=-1;-2;-3;-4; G=zpk(Z,P,1) clear Z= -1.538; -2.7305+2. 8538i;-2. 7305-2. 8538iP=-l;-2;-3;-4 ;1)G =(s+1. 539) (s2 + 5.461s + 15.6)(s+1) (s+2) (s+3) (s+4)Continuous-time zero/pole
7、/gain model.(4) 已知传递数函的分子、分母多项式系数，可用tf2zp()函数求出传函的零点向量、极点向量和增益。该函数的调用格式为乙P,K = tf2zp ( num, den )这里K=1已知传递数函的零点、极点和增益，可用zp2tf ()函数求出传函的分子、分母多项式系数。该函数的调用格式为num, den= zp2tf (乙P,K)这里K=1任务四：以G =必+ *2 + E + 2为例，练习这两个函数的使用。s4 + 2s3 + 4s2 + 3s +1 num =5j 3, 2 ; den =A * 3】1: G = tf ( nunij den ); L Pj K =
8、tf 2zp ( nunij den )-4.4241 + 0.OOOOi-0.2880 + 0.60761-0.2880 - 0.6076iP 二-0.5000 + 1.5388i-0.5000 - 1.53881-0.5000 + 0.36331-0.5000 - 0.3633i clearP= -0.500000000000000 + 1. 5388417685876261;-0. 500000000000000 - 1.538841768587626i;-0. 500000000000000 + 0. 3632712640026801;-0.500000000000000 - 0.36
9、32712640026801 Z=-4. 424076847035403 + 0. OOOOOOOOOOOOOOOi;-0.287961576482298 + 0.6075770270241731：-0.287961576482298 - 0. 607577027024173i:K=1;zpk(Z,P,K)num, den= zp2tf (Z, P, K) ans =(s+4.424) (s*2 + 0.5759s + 0.4521)(s*2 + s + 0.382) (s2 + s + 2.618)Continuous-time zero/pole/gain model.num =01. 0
10、0005. 00003.00002.0000den =1. 00002. 00004.00003.00001.00002. 利用SIMULINK进行控制系统模型的建立及仿真 (1) SIMULINK 模块库SIMULINK提供了9类基本模块库：连续系统模块库（Continous）、离散系统模块库 （Discrete）、函数与表模块库（Function&Tables）、数学运算模块库（Math）、非线性系 统模块库（Nonlinear）、信号模块库（Signal Routing）、输出模块库（Sinks）、输入源模 块库（Sourses）、子系统模块库（Subsystems）等基本模块库。课本附
11、录二对本实验书中用 到的5个模块：连续系统模块库（Continous）、数学运算模块库（Math）、信号模块库（SignalRouting)、输出模块库（Sinks）、和输入源模块库（Sourses）的功能进行了介绍。（2）用SIMULINK建立系统模型及仿真例1以求惯性环节G =的阶跃响应为例，说明SIMULINK中系统模型的建立过程。 0.8s + 2 开启SIMULINK窗口及模块库启动方式一：在MATLAB命令窗口，键入“SIMULINK”启动方式二：点击窗口上面的SIMULINK图标。如下所示，就打开了 SIMULINK窗口，进入SIMULINK库模块浏览界面。打开 Simulink
12、 Library Browser 浏览器1ATLABD:V5：etijp 6p5,iAVorkizikonq渗 |若电嗯 gc 兽? Current Directory:MATLABToolbonesSimijlirLkBlocksetzUsing Toolbon Path Cache. Tje help toolbo:_path_cache for more info._% 7/05/08 5:38 AM %simulinh% 7/0T/08 8:51 AM %动 SIMULINK#st StuppEd in debugger 建立新文件：在SIMULINK窗口下，用鼠标点击new mode
13、l图标或选取菜单File 一 New Model后，SIMULINK会打开一个名为untilited （无标题）的空白模型窗口，如 图2所示。新文件建立后，可以用菜单File中的Save as命令保存程序，这时需要给文 件取名。保存的文件扩展应名为.mdl。本例中将文件名命名为exampl.mdl。 复制模块：双击模块组图标打开模块子库，将鼠标移到所要复制的模块上，然后按下 左键并拖动鼠标到目标窗口，再松开键，用右键可在任意窗口内复制模块，此时原模块保留。本例中需双击Sources图标从信号源库中选中阶跃信号模块，双击Continuous图标从连 续系统模块库中选中传递函数模块，双击Sinks
14、图标从显示库中选中示波器模块，分别拖入 examp1.mdl 目标窗口。 修改模块参数。通常目标窗口中复制的模块的参数和要求不一致，因此需对这些复制 过来的模块参数进行修改。双击复制过来的模块，会出现对一个对话框，在对话框中设置相 应参数。本例中双击Step模块，设置阶跃信号的起始时间从默认的1修改为0、并可根据实际情况 设计设置初值和终值；双击Transfer Fcn模块，设置传递函数的表达式，在分子（Numerator） 多项式系数处键入5，在分母（Denominator）多项式系数处键入0.8,2. 模块之间的连接：模块左侧和右侧尖角分别表示模块的输入和输出，模块之间的连 接按照下述方法
15、进行：鼠标移到一个模块的输入（出）端，按下左键，拖动鼠标到另一个模 块的输出（入）端，松开，连线完毕。若要从一条已经存在的连线上引出另一条连线，首先 把鼠标指针移到这个连线上，按下右键，拖动鼠标到目标端口，再松开键。按照上述步骤建 立的惯性环节模型如图3所示。图3用SIMULINK建立的惯性环节模型若需要选择对象或删除对象，用鼠标左键在所选对象上单击一下，被选对象就会出 现相应标记。若要删除模块或连线，首先要选中该模块过连线，然后再按Delete或Clear 键。仿真与显示若要开始仿真，单击起动仿真的按钮 A 或选择Simulation Start就可以了。双 击Scope模块就打开示波器，示波器上就显示出变量随时间变化的曲线。（3）典型环节仿真与分析自控系统可看成是由比例、积分、惯性环节等典型环节按一定的关系连接而成。熟悉这 些典型环节
