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1、控制工程基础MATLAB仿真实验报告姓名：_学号：_（实验报告提交时实验原理部分只需要留标题，内容可不打印,打印时删除）湖北民族学院理学院2011年8月目录实验一 控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 1实验二 一、二阶系统时域特性分析 6实验三 控制系统频域特性分析 8实验四 控制系统稳定性仿真 11实验一 控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析一、 实验目的1. 掌握MATLAB软件使用的基本方法；2. 熟悉MATLAB的数据表示、基本运算和程序控制语句；3. 熟悉MATLAB程序设计的基本方法。4. 学习用MATLAB创建控制系统模型。二、 实验原理1. MATLAB的
2、基本知识MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。MATLAB具有卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。当MATLAB 程序启动时，一个叫做MATLAB 桌面的窗口出现了。默认的MATLAB 桌面结构如下图所示。在MATLAB 集成开发环境下，它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。在MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有：命令窗口（The Comm
3、and Window）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符()后输入一系列的命令，回车之后执行这些命令，执行的命令也是在这个窗口中实现的。命令历史窗口（The Command History Window）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。双击这些命令可使它再次执行。要在历史命令窗口删除一个或多个命令，可以先选择，然后单击右键，这时就有一个弹出菜单出现，选择Delete Section。任务就完成了。工作台窗口（Workspace）: 工作空间是M
4、ATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。当前路径窗口（Current Directory Browser）MATLAB命令常用格式为: 变量=表达式 或直接简化为: 表达式通过“=”符号将表达式的值赋予变量，若省略变量名和“=” 号，则MATLAB自动产生一个名为ans的变量。变量名必须以字母开头，其后可以是任意字母、数字或下划线，大写字母和小写字母分别表示不同的变量，不能超过19个字符，特定的变量如：pi（=3.141596） 、Inf（=）、NaN(表示不定型求得的结果,如0/0）等
5、不能用作它用。表达式可以由函数名、运算符、变量名等组成，其结果为一矩阵，赋给左边的变量。MATLAB所有函数名都用小写字母。MATLAB有很多函数，因此很不容易记忆。可以用帮助（HELP）函数帮助记忆，有三种方法可以得到MATLAB 的帮助。最好的方法是使用帮助空间窗口（helpbrowser）。你可以单击MATLAB 桌面工具栏上的图标，也可以在命令窗口(The CommandWindows)中输入helpdesk 或helpwin 来启动帮助空间窗口（help browser）。你可以通过浏览MATLAB 参考证书或搜索特殊命令的细节得到帮助。 另外还有两种运用命令行的原始形式得到帮助。第
6、一种方法是在MATLAB 命令窗口(The Command Windows)中输入help 或help 和所需要的函数的名字。如果你在命令窗口(The Command Windows)中只输入help，MATLAB 将会显示一连串的函数。如果有一个专门的函数名或工具箱的名字包含在内，那么help 将会提供这个函数或工具箱。第二种方法是通过lookfor 函数得到帮助。lookfor 函数与help 函数不同，help 函数要求与函数名精确匹配，而lookfor 只要求与每个函数中的总结信息有匹配。Lookfor 函数比help函数运行起来慢得多，但它提高了得到有用信息的机会。使用HELP函数可
7、以得到有关函数的屏幕帮助信息。常用运算符及特殊符号的含义与用法如下：+ 数组和矩阵的加法- 数组和矩阵的减法* 矩阵乘法/ 矩阵除法 用于输入数组及输出量列表( ) 用于数组标识及输入量列表 其内容为字符串, 分隔输入量,或分隔数组元素； 1.分开矩阵的行2. 在一行内分开几个赋值语句3需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”号。% 其后内容为注释内容，都将被忽略，而不作为命令执行 用来表示语句太长,转到第二行继续写回车之后执行这些命令举例：矩阵的输入 1 2 3 A= 4 5 6 7 8 9矩阵的输入要一行一行的进行，每行各元素用（，）或空格分开，每行用（；）分开。M
8、ATLAB书写格式为：A=1,2,3;4,5,6;7,8,9或A=1 2 3 ；4 5 6 ；7 8 9回车之后运行程序可得到A矩阵 A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”号。运行下面两种格式可以看出他们的区别 a=1 2 3;4 5 6;7 8 9 a=1 2 3;4 5 6;7 8 9; a = 1 2 3 （不显示计算结果） 4 5 6 7 8 9 2. 系统建模2.1系统的传递函数模型系统的传递函数为：对线性定常系统，式中s的系数均为常数，且a1不等于零，这时系统在MATLAB中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量
9、唯一地确定出来，这两个向量可分别用变量名num和den表示。num=b1,b2,bm,bm+1den=a1,a2,an,an+1注意：它们都是按s的降幂进行排列的。举例：传递函数:输入:num=12,24,0,20,den=2 4 6 2 2显示:num = 12 24 0 20den = 2 4 6 2 22.2模型的连接2.2.1并联：parallel格式： num,den=parallel(num1,den1,num2,den2) 将并联连接的传递函数进行相加。举例：传递函数:输入:num1=3;den1=1,4;num2=2,4;den2=1,2,3;num,den=parallel(
10、num1,den1,num2,den2)显示:num = 0 5 18 25den = 1 6 11 122.2.2串联：series格式： num,den=series(num1,den1,num2,den2) 将串联连接的传递函数进行相乘。2.2.3反馈：feedback格式： num,den=feedback(num1,den1,num2,den2,sign) 将两个系统按反馈方式连接，系统1为对象，系统2为反馈控制器，系统和闭环系统均以传递函数的形式表示。sign用来指示系统2输出到系统1输入的连接符号，sign缺省时，默认为负，即sign= -1。总系统的输入/输出数等同于系统1。2
11、.2.4闭环：cloop（单位反馈）格式： numc,denc=cloop(num,den,sign) 表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统，sign意义与上述相同。2.3相应的（2）系统的MATLAB程序为：2、传递函数模型零极点增益模型零极点增益模型为： 其中：K为零极点增益，zi为零点，pj为极点。该模型 在MATLAB中，可用z,p,k矢量组表示，即z=z1,z2,zm;p=p1,p2,.,pn;k=K;然后在MATLAB中写上零极点增益形式的传递函数模型建立函数：sys=zpk(z,p,k)。这个零极点增益模型便在MATLAB平台中被建立，并可以在屏幕上显示出来。举例：已知系统的
12、零极点增益模型：在MATLAB命令窗口（Command Window）键入以下程序： z=-3;p=-1,-2,-5;k=6; sys=zpk(z,p,k)回车后显示结果：Zero/pole/gain: 6 (s+3)-(s+1) (s+2) (s+5)则在MATLAB中建立了这个零极点增益的模型。2.43、状态空间模型状态方程与输出方程的组合称为状态空间表达式，又称为动态方程，如下： 则在MATLAB中建立状态空间模型的程序如下： A=A; B=B; C=C; D=D; sys=ss(A,B,C,D)2.5、系统复杂连接时等效的整体传递函数的求取1用Siumlink软件实现传递函数的求取Si
13、umlink软件是基于Windows的模型化图形输入的仿真软件，是MATLAB软件的拓展，在Siumlink环境下输入系统的方框图则可以方便的得到其传递函数。 系统方框图的输入 在MATLAB命令窗口中输入simulink，出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，它提供构造方框图（或其他仿真图形界面）的模块； 在MATLAB主窗口对FileNewModel操作，打开模型文件窗口，在此窗口上，构造方框图。 以下面的系统为例，介绍构造方框图的各模块录入方法和设置方法。 图中， 录入各传递函数方框在Simulink Library Browser的窗口打开SimulinkContinuous子库,将Transfer Fcn模块复制到（拽到）模型文件窗口，共复制6个方框，分别放到相应位置。传递函数是积分环节的，也可以复制Integrator模块 录入相加点在Simulink Library Browser的窗口打开SimulinkMath子库，将Sum模块复制到（拽到）模型文件窗口，共复制复制到（拽到）模型文件窗口，共复制3个相加点，分
