控制工程基础实验

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1、控制工程基础实验1MATLAB在控制系统分析与设计中的应用第一节 MATLAB语言简介第二节 MATLAB的数学工具功能第三节 用MATLAB处理系统数学模型第四节 MATLAB用于时域分析第五节 MATLAB用于频域分析第六节 Simulink建模及动态仿真小结小结2第一节 语言简介一、的运行环境二、的帮助系统三、的运算与简单编程3 是一种解释性语言，用户既可以在环境下键入一个命令，也可以用编写应用程序，由负责解释、运行并给出结果。在环境下启动以后，就可打开一个环境的窗口，如图-所示。4一、的运行环境 在大多数系统中，一旦安装了，则可进入运行窗口环境。提供了两种运行方式，即命令行方式和文件方

2、式。.命令行运行方式 可以通过直接在命令窗口中输入命令来实现计算或作图功能。一般命令格式如下：输出参数，输出参数，命令名（输入参数，输入参数，）输出参数使用方括号，而输入参数使用圆括号。如果输出量仅一个，可不使用括号。.文件运行方式 也可以执行存储在文件中的程序。只要该文件满足两个条件：其一，程序驻存的文件必须在当前目录下；其二，该文件必须有的扩展名。通常使用任何可以生成码文件的文本编辑器都可以生成文件。有两种形式的文件：程序文件与函数文件。在窗口中单击菜单，然后依次选择，打开文件编辑及运行窗口，可以在该窗口中编辑程序文件，进行调试和运行。与命令行方式相比，文件方式的优点是可调试，方便修改，可

3、重复应用。5二、的帮助系统 语言为用户准备了使用方便、信息丰富的联机帮助系统。用户可以使用下述几种方法得到帮助信息：命令行帮助、联机帮助和演示帮助等。充分利用其帮助系统，可以更快、更准确地掌握的使用方法。.命令行帮助 利用命令可以获得命令行帮助。例如，在命令窗口输入命令 将显示系统的帮助信息，可以得到的基本命令及与其相关的工具箱的名称和功能。如果在命令后面添加工具箱名或命令名，则可显示对应的功能信息。例如，在命令行中键入 将获得阶跃响应函数命令的功能和参数说明。6联机帮助 在界面中单击工具条上的问号按钮或单击“”菜单中的“”选项，可以打开联机帮助界面，在界面左边的目录栏中单击项目名称或图标，将

4、在右侧的窗口中显示相应的帮助信息。演示帮助 在的命令窗口中键入“”，或者单击菜单中的“”选项，可以打开演示窗口。该演示窗口包含了各种的应用范例，具有很好的学习指导性。建议在使用之前，首先使用命令学习的范例。这将有助于正确地使用该软件。7三、的运算与简单编程.向量与矩阵 在环境下，输入一个行向量很简单，只需使用方括号，并且每个元素之间用空格或逗号隔开即可。列向量的输入只需在行向量的输入格式基础上再加一个转置符号。8.基本编程 不仅是一个功能强大的工具软件，更是一种有效的编程语言。语言基本上是解释型语言，另外借助于编译工具，也可以将其编译后执行。语言的变量描述和语句描述极为简单，不仅大部分与其他计

5、算机语言相似，而且几乎没有什么格式上的约束，学习起来非常容易。而且，由命令和函数组合而成的程序，可以成为功能更强的函数，这些新函数又可以加入到命令中，进一步增强的功能。（）图 如果和是同一长度的向量，则命令（，）（）加进网格线、图形标题、轴标记和轴标记 一旦在屏幕上出现图形，就可以画出网格线，定出图形标题，并且标定轴标记和轴标记。中关于网格线、标题、轴标记和轴标记的命令如下：9 （）在图形屏幕上书写文本 为了在图形屏幕的点（，）上书写文本，采用命令：10 （）图形类型和颜色 在使用命令绘图时，可以加上表示线型、点的类型或者颜色的标记，来区分多条曲线。能够提供的线和点的类型见表-。11 （）自动

6、绘图算法 在中，图形是自动定标的。在另一幅图形画出之前，这幅图形作为现行图形保持不变，但是在另一幅图形画出后，原图形将被删除，坐标轴自动地重新定标。关于瞬态响应曲线、根轨迹、伯德图、奈奎斯特图等的自动绘图算法已经设计出来，它们对于各类系统具有广泛的适用性，但是并非总是理想的。因此，在某些情况下，可能需要放弃绘图命令中的自动坐标轴定标特性，改用手工选择绘图范围。 （）手工坐标轴定标 如果需要在下列语句指定的范围内绘制曲线：12第二节 MATLAB的数学工具功能一、拉氏变换和拉氏反变换二、变换和反变换三、多项式运算四、微分方程求解五、差分方程求解13第二节 MATLAB的数学工具功能一、拉氏变换和

7、拉氏反变换14二、变换和反变换 符号数学工具箱中的函数和分别用于求符号表达式的变换和反变换。求函数的变换可用 （）。例- 求单位斜坡函数（）的变换。15三、多项式运算1617四、微分方程求解18五、差分方程求解19第三节 用MATLAB处理系统数学模型 一、传递函数模型（一、传递函数模型（TransferFunctionTransferFunction，简称），简称） 二、零极点模型（二、零极点模型（Zero PoleZero Pole，简称），简称） 三、状态空间模型（三、状态空间模型（SateSpaceSateSpace，简称），简称） 四、模型的转换四、模型的转换 五、系统模型的串、并与

8、反馈连接五、系统模型的串、并与反馈连接20一、传递函数模型（一、传递函数模型（TransferFunctionTransferFunction，简称），简称）21二、零极点模型（二、零极点模型（Zero PoleZero Pole，简称），简称）22三、状态空间模型（三、状态空间模型（SateSpaceSateSpace，简称），简称）23四、模型的转换四、模型的转换24五、系统模型的串、并与反馈连接五、系统模型的串、并与反馈连接 在控制系统工具箱中，有几个关于系统连接的函数，可以用来灵活地处理控制系统的数学模型问题。 可用函数（，）来实现图-所示的系统或环节结构图的串联，求得串联系统的传递函

9、数。 可用函数（，）来实现图-所示的系统或环节结构图的并联，求得系统的传递函数。2526第四节 MATLAB用于时域分析272829303132结果如图-所示。33（）求单位阶跃响应及稳态误差34（）求单位斜坡响应及其稳态误差35 例- 如图-所示的单闭环有差系统，求取不同的比例调节器参数时，得到的系统阶跃响应。36第五节 MATLAB用于根轨迹分析一、根轨迹绘制二、根轨迹分析37一、根轨迹绘制一、根轨迹绘制3839二、根轨迹分析 在系统的分析过程中，常常希望确定根轨迹上某一点的开环增益值和其他参数值，可以通过两种方法实现。 ）绘制出根轨迹曲线，单击曲线上的任意一点，即可以方框的形式显示该点处

10、的增益值（）、极点（）、阻尼比（）、超调量（）、频率（）等参数值。 ）在调用函数之后，调用函数，即，（，）； 运行该函数后，将在根轨迹图形屏幕上生成一个十字光标，同时在的命令窗口会出现“”，提示用户选择某一点。使用鼠标，移动这个十字光标到所希望的位置，单击左键，在的命令窗口将会出现该点的数值。分别键入输出参数和，将得到增益值以及对应于该增益值的闭环极点4041第六节 MATLAB用于频域分析一、频率特性图的绘制二、求相位裕量和幅值裕量42一、频率特性图的绘制.伯德图绘制伯德图可用函数434445464748二、求相位裕量和幅值裕量49第七节 MATLAB用于系统校正与设计一、超前校正装置的设计

11、二、滞后校正装置的设计三、调节器设计50一、超前校正装置的设计一、超前校正装置的设计 例- 设一系统结构如图所示，要求系统的速度误差系数，相位稳定裕量，为满足系统性能指标的要求，试用设计超前校正装置。5152二、滞后校正装置的设计 例- 试用对图所示的系统设计滞后校正装置。要求系统的速度误差系数，相位稳定裕量。535455三、调节器设计565758第八节 MATLAB用于采样控制系统一、数学模型处理二、动态响应分析三、稳定性判定59一、数学模型处理一、数学模型处理.变换和反变换.模型转换6061二、动态响应分析.输入函数6263.求输出动态响应设采样控制系统的闭环传递函数为6465三、稳定性判

12、定 利用可以很方便地对采样控制系统进行稳定性判别，主要方法是：判定系统的特征方程的根是否在平面的单位圆内。66结果如图-所示。该结果表示特征方程有两个根在平面单位圆外，故系统为不稳定。67第九节 Simulink建模及动态仿真一、简介二、运行仿真三、离散系统的仿真分析68一、简介.启动 进入环境后，在命令窗口中键入“”或在的工具条中单击按钮 ，可启动如图-所示的库模块浏览器，单击窗口左上方的按钮 ，会出现一个名为的空模型窗口，如图所示。可以在此窗口中创建模型。接下来，来，就可在的库模块中选择所需的模块，并将其拖曳到空模型窗口中，就可直接构建系统动态结构图并仿真。697071.模型基本结构727

13、37475二、运行仿真 在创建了模型后，有两种方法可以运行仿真：使用窗口运行仿真和使用命令运行仿真。.使用窗口运行仿真76.使用命令运行仿真77三、离散系统的仿真分析 进入环境后，单击（离散元件）库，选择相应的离散函数模型，按照与连续系统模型相同的系数输入方式来输入参数，构建离散系统模型，就可以实现离散系统的仿真分析。78小 结 中的控制系统工具箱为控制系统的分析和设计提供了中的控制系统工具箱为控制系统的分析和设计提供了强大的工具，因而在系统控制领域得到越来越广泛的应用。本章在强大的工具，因而在系统控制领域得到越来越广泛的应用。本章在对语言作简单介绍的基础上，主要结合前面各章的内对语言作简单介

14、绍的基础上，主要结合前面各章的内容，介绍将及其应用于自动控制系容，介绍将及其应用于自动控制系统分析、设计与仿真中。统分析、设计与仿真中。 （）的数学工具功能。符号运算工具（）的数学工具功能。符号运算工具箱中定义了自动控制原理中经常用到的积分变换，如拉氏变换、箱中定义了自动控制原理中经常用到的积分变换，如拉氏变换、变换及其反变换的专用函数，即、变换及其反变换的专用函数，即、。同时还可以求解微分方程和、。同时还可以求解微分方程和差分方程。差分方程。 （）处理系统模型。利用、等函（）处理系统模型。利用、等函数可对线性定常系统数学模型的几种表述形式进行适当的处理和转数可对线性定常系统数学模型的几种表述

15、形式进行适当的处理和转换；运用、等换；运用、等函数可以实现系统模型的连接。函数可以实现系统模型的连接。79 （）用于系统时域分析。利用（）用于系统时域分析。利用、等函数可完成系统输出响应分析，、等函数可完成系统输出响应分析，同时结合部分常用数据分析和处理函数可以实现稳定同时结合部分常用数据分析和处理函数可以实现稳定性分析以及稳态误差分析等工作。性分析以及稳态误差分析等工作。 （）用于根轨迹分析。利用（）用于根轨迹分析。利用、函数可完成根轨迹绘制、部、函数可完成根轨迹绘制、部分分式展开以及根轨迹分析等工作。分分式展开以及根轨迹分析等工作。 （）用于频域分析。利用、（）用于频域分析。利用、函数可以

16、画出频率特性的伯德图和乃函数可以画出频率特性的伯德图和乃氏图的精确图形，用函数可方便地求取氏图的精确图形，用函数可方便地求取稳定裕量。将大大有助于对系统的分析和设计。稳定裕量。将大大有助于对系统的分析和设计。 （）用于系统校正和分析。根据几种（）用于系统校正和分析。根据几种校正装置的设计思想，运用语言编程的校正装置的设计思想，运用语言编程的方法，可以设计满足性能指标的校正装置。方法，可以设计满足性能指标的校正装置。80 （）用于采样控制系统。利用（）用于采样控制系统。利用等函数可以实现连续系统与离散系统的数学模型转化，等函数可以实现连续系统与离散系统的数学模型转化，用、等函数可以实现采样控用、

17、等函数可以实现采样控制系统的动态响应分析等工作，还可以判定采样控制制系统的动态响应分析等工作，还可以判定采样控制系统的稳定性。同时，也可用直接系统的稳定性。同时，也可用直接对采样控制系统进行仿真。对采样控制系统进行仿真。 （）建模与动态仿真。（）建模与动态仿真。是提供的一个系统级的建模、是提供的一个系统级的建模、动态仿真及综合分析的工作平台，可用它来模拟几乎动态仿真及综合分析的工作平台，可用它来模拟几乎所有的动态系统。运用搭建系统模所有的动态系统。运用搭建系统模型结构图，设置各参数并运行后，通过特定的输出可型结构图，设置各参数并运行后，通过特定的输出可以看到系统的动态响应。以看到系统的动态响应。81