本部《Matlab与控制系统仿真》实验指导书

机电工程学院《Matlab控制系统仿真》实验指导书学院班级姓名学号温州大学机电工程学院制温州大学机电学院实验（实训）指导书1实验一MATLAB语言基本命令1实验目的1.掌握科学计算的有关方法，熟悉MATLAB语言及其在科学计算中的运用；2.掌握MATLAB的命令运行方式和M文件运行方式；3.掌握矩阵在MATLAB中的运用。2实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3实验内容(1).输入A=[715;256;315]，B=[111;222;333]，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：A(2,3)A(:,2)A(3,:)A(:,1:2:3)A(:,3).*B(:,2)A(:,3)*B(2,:)A*BA.*BA^2A.^2B/AB./A(2).输入C=1:2:20，则C（i）表示什么？其中i=1,2,3,…,10；(3).查找已创建变量的信息，删除无用的变量；(4).试用help命令理解下面程序各指令的含义：cleart=0:0.001:2*pi;subplot(2,2,1);polar(t,1+cos(t))subplot(2,2,2);plot(cos(t).^3,sin(t).^3)subplot(2,2,3);polar(t,abs(sin(t).*cos(t)))subplot(2,2,4);polar(t,(cos(2*t)).^0.5)4实验步骤：打开MATLAB程序，将实验内容中的题目依次输入MATLAB中，运行得到并记录结果，最后再对所得结果进行验证。5实验报告要求记录实验数据,理解其含义温州大学机电学院实验（实训）指导书2实验二MATLAB语言程序设计1实验目的（1）掌握Matlab程序的编制环境和运行环境。（2）掌握Matlab程序的编写方法。（3）能编写基本的数据处理Matlab程序。（4）能编写基本的数据可视化Matlab程序。2实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3实验内容(1)Matlab脚本文件编写和执行(2)Matlab函数文件的编写和调用(3)nargm和nargout函数使用方法(4)局部变量与全局变量使用4实验步骤1、Matlab命令文件编写(1)建立自己工作目录，如/Mywork。(2)设置工作目录的搜索路径。(3)打开新的M文件编辑器中(4)在编辑器中完成（求小于2000且为2的整数次幂的正整数）的程序内容,调试后，将其以test1.m形式保存在/Mywork中2、Matlab函数文件编写编写（求小于任何指定的正整数n且为2的整数次幂的正整数）的函数文件,调试后，将其以tt.m形式保存在/Mywork中3、nargm和nargout函数使用方法利用nargm函数，编写函数文件testarg(a,b)，从而实现因参数个数的不同，分别调用函数内部不同的的执行内容。4.全局变量使用利用全局变量编写函数weight_add，实现将输入的参数加权相加5实验报告要求把调试好的脚本文件和函数文件，清晰的写入报告中，并附加一些语句的解释。温州大学机电学院实验（实训）指导书3实验三典型数控机床建模1实验目的(1)了解数控机床进给系统的建模方法；(2)熟练M语言与simulink建模仿真方法2实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3实验内容进给系统的精度是影响数控机床的精度主要因素，进给伺服系统根据数控装置发来的速度与位移指令信号，由伺服电路做一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构等执行部件实现工件进给和运动，达到加工出所需的工件外形和尺寸。本实验以CK7815数控机床进给系统常用的步进电机、滚珠丝杠等构成的经典结构为对象，建立数控机床进给系统的数学模型（用系统方块图表示）。4实验步骤按图1所示，分析CK7815数控机床进给部分的结构，由DC伺服电机通过一级减速齿轮和滚珠丝杠螺母机构驱动工作台运动。利用运动学原理构建出驱动电机和机械系统模型，从而获得整体进给系统的数学模型。图1.直流伺服进给系统方块图（1）．对于永磁直流电动机，其微分方程式为()()()()()()()()()MTaaaaaabbbMMMMTKitditLRitutetdtetKtdtJBtTdt(1)温州大学机电学院实验（实训）指导书4式中：MT为电机输出力矩；TK为电机扭转刚度系数；aL为电枢回路的电感；aR为电枢回路的总电阻；()ait为电枢回路的电流；()aut为电枢回路的控制电压；()bet为电机的反电动势；bK为测速电机系数；M为电机输出转速；J为折算到电机轴上的总转动惯量；B为折算到电机轴上的总粘性阻尼系数。若设功率放大器的增益为aK，电机的输出转角有关系M，将式（1）进行拉氏变换，获得输出转角与输入电枢的控制电压间关系为：()()()()()aTMaaaTbKKsGsussLsRJsBKKs(2)（2）机械传动装置：设,,JBk分别为机械传动装置折算到电机轴上的等效转动惯量、等效回转阻尼系数和等效扭转刚度系数。经过等效变换后，机械传动装置可简化为图2所示系统。MT为电机驱动转矩，为电机输入转角，1为电机轴在负载作用下的实际转角。图2.等效机械传动装置简图由图所示可以列出平衡方程11112202101111()()2)()()2MMkJBTkzJsBskxskszxzLTJBzL（又(3)则输入转角与工作台0x之间的传递函数为：1220122222()()()22nJnnzLkzxszLGssJsBskzss(4)式中：12,,zzL为齿轮1,2的齿数和丝杠导程，nkT为进给系统的无阻尼固有频率，2BJk为进给系统的阻尼比。在仿真时，据伺服驱动系统要求，取放大器增益5aK，电机参数20.002,0.48,0.23,0.003,0.001aaTbLHRKKJkgmB温州大学机电学院实验（实训）指导书5z1/z2=0.5,L=4mm,0.5,100n(3)检测装置：将编码器测得的实际位移量，以脉冲数直接反馈到输入端，设传递函数为1。(4)比较转换装置将指令与反馈脉冲比较，差值经过D/A转换，变为电压信号au。该环节为比例环节增益为2.5cK。(5)根据永磁直流电动机的传函式(2)与机械传动装置的传函式(4),在实验报告中，编写系统闭环的的位置阶跃响应仿真的M脚本文件或者利用simulink构建方块图进行仿真。(6)观察所得到的结果进行分析5实验报告要求（1）编写M脚本程序进行调试，完成进给系统的位置闭环仿真。（2）构建进给系统的闭环simulink仿真，与脚本语言进行比较。（3）根据仿真结果进行必要的说明。温州大学机电学院实验（实训）指导书6实验四SIMULINK的初步使用1实验目的（1）熟悉Matlab中基本Simulink仿真环境；（2）掌握simulink进行系统仿真设计的基本步骤。（3）了解simulink中各模块库；（4）掌握仿真系统参数设置及子系统封装技术2实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3实验内容（1）在命令窗口输入simulink，观察其模块库的构成；（2）搭建一个简单的simulink二阶不稳定系统的阶跃响应仿真模型（3）设计PID控制器实现稳定阶跃响应（4）封装PID控制器4实验步骤(1)建立新的simulink模块编辑界面。(2)在simulink模块中的continue模块集中拉出TransferFun模块，从Sink模块集中拉出阶跃信号模块，从Mathoperations模块集中拉出Sum模块，从Sink模块集中拉出Scope模块，构建二阶系统23s0.43s的阶跃响应的系统模块图.(3)通过设定Simulink解法器的相关参数，进行仿真并从结果中判断说明系统的稳定性。(4)在原有系统模块的基础上，从continue模块集中拉出Derivative、Integrator以及从MathOperations模块集中拉出Gain模块，设计PID控制器，对原系统进行串联校正。(5)对PID控制器进行封装。5实验报告要求（1）画出二阶系统的阶跃响应的系统模块图和结果，说明系统不稳定的理由。（2）画出PID控制系统的在不同参数下的仿真曲线。温州大学机电学院实验（实训）指导书7实验五MATLAB控制系统工具箱使用1实验目的（1）了解Matlab控制系统工具箱中常用函数.（2）掌握模型转换方法以及奈氏图、伯德图的绘制。（3）掌握系统脉冲、阶跃等响应的仿真方法2实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3实验内容（1）利用residue函数求取传递函数的部分分式展开式（2）利用tf函数构建系统传递函数（3）利用impulse、step、lsim等函数仿真系统的单位脉冲、阶跃、速度响应。（4）画出单位负反馈的开环传递函数的在频率0.01-100rad/s间的伯德图（5）画出系统的乃奎斯特图4实验步骤(1)写出传递函数43243211395226()10355024ssssGsssss的部分展开式a.列些分子num、分母den的系数b.利用residue(num,den)求出零极点和余项c.把部分展开式写入实验报告。（2）对于系统3237(23)()(31)(2)(538)sGssssssa.首先利用conv函数展开分母，获得各阶系数，此时num=[1421];den=conv(conv(conv([100],[31]),conv([12],[12])),[5038])b.再利用tf函数构建传递函数c.结果写入实验报告（3）a.用tf(num,den)函数构建高阶系统传递函数2654322050()1584223240100ssGssssssb.构建时间向量tc用函数impulse及step仿真系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应d.用lism函数仿真系统速度响应e.程序调试成功后，写入实验报告温州大学机电学院实验（实训）指导书8（4）绘制单位负反馈的开环传递函数10(1)()(7)sGsss的伯德图。a.写出num，denb.用logspace函数设定频率范围c利用bode函数输入幅值增益、相位d.把增益值转换为分贝值e.添加网格线，并生成二行一列的图表f.用semilogx在两个图标中分别生成幅值频率和相频特性曲线。g.用margin函数获取开环的幅值裕量和相位裕量。h.程序调试后写入实验报告温州大学机电学院实验（实训）指导书9实验六数控机床SIMULINK仿真1实验目的（1）了解数控机床的位置与速度反馈控制。（2）提高控制器设计能力并进行仿真验证。（3）熟练SImulink仿真操作方法。2实验器材计算机WinXP、Matlab7.0软件3实验内容基于实验3数控机床的进给系统，根据其电机以及机械部分的关系，参考推导出的传递函数，用simulink构建完整的进给系统的控制仿真方块图。并对速度回路进行PI控制，并对所设计好的PD控制器进行封装。同时对位置回路进行PID控制。比较控制前后的仿真结果。4实验步骤（1）利用M脚本编辑器，完成数控机床进给部分的参数设定。（2）完成Simulink的系统模块构建。（3）为速度回路与位置回路分别设计PI和PID控制器。（4）设定仿真求解器的参数，进行仿真（5）调节PID控制器参数，使进给过程快速、稳定。21222()(),()()()()22aTnMJaaaTbnnKKzsLGsGsussLsRJsBKKszss(2)5实验报告要求（1）画出调试好的数控机床进给系统的PI速度控制和PID位置控制的Simulink模块图。（2）比较分析仿真结果。温州大学机电学院实验（实训）指导书10实验七MATLAB数字控制器设计初步1实验目的（1）掌握离散信号z变换和z逆变换的matlab方法（2）掌握离散系统的系统函数零极点