仿真技术实验指导书

《仿真技术》实验指导书实验一连续系统的数字仿真一、实验目的1．熟悉Matlab中m文件的编写；2．掌握龙格－库塔法的基本原理。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容假设单变量系统如图所示。试根据四阶龙格－库塔法，求系统输出y的动态响应。1．首先把原系统转化为状态空间表达式：CXybuAXX，根据四阶龙格－库塔公式，可得到：1143211)22(6kkkkCXyKKKKhXX（1）其中：)()()2()2()2()2()(3423121htbuhKXAKhtbuKhXAKhtbuKhXAKtbuAXKkkkkkkkk（2）根据（1）、（2）式编写仿真程序。2．在Simulink环境下重新对上述系统进行仿真，并和1中结果进行比较。四、实验结果及分析要求给出系统输出响应曲线，并分析计算步长对龙格－库塔法的影响。五、思考题1．试说明四阶龙格－库塔法与计算步长关系，它与欧拉法有何区别。实验二面向结构图的仿真一、实验目的1．掌握连接矩阵及系统状态方程的确定方法；2．掌握面向结构图的仿真方法。二、实验设备计算机、MATLAB软件_+11s5312ssr=5y三、实验内容假设某系统由三个典型环节组成，如下图所示，求输出量y的动态响应。仿真基本步骤：1．给定输入信号，确定典型环节及环节参数；2．确定连接矩阵；3．输入仿真时间和计算步长；4．求H,H-1和Q阵，确定A、B阵；5．根据龙格－库塔法求状态方程的解；6．根据1～5编写仿真程序。四、实验结果及分析五、思考题1．典型环节的确定必须满足什么条件？实验三连续系统的快速仿真一、实验目的1．熟悉增广矩阵的构建方法；2．掌握连续系统的快速仿真基本原理。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容假设某系统结构图如下，要求采用快速仿真方法求系统输出响应。仿真基本步骤：1．给定输入信号，确定典型环节及环节参数；2．确定连接矩阵；3．输入仿真时间和计算步长；4．求H,H-1和Q阵，确定A、B阵；5．构建增广矩阵；6．采用增广矩阵法求齐次方程的解和系统输出响应。根据1～6编写仿真程序。四、实验结果和分析五、思考题_+s122sr=10y1010s_+s122sr=10y1010s1．增广矩阵法和四阶龙格－库塔法有何区别？实验四离散相似法仿真一、实验目的1．掌握离散化的基本原理；2．掌握非线性系统的离散化仿真方法。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容已知非线性系统结构图如下，求系统输出响应。1．给定参考输入，输入仿真时间，采样周期（T=0.1s）；2．将被控对象离散化；3．给定参数初始值；4．计算误差和非线性环节输出；5．计算系统输出；6．参数值更新；7．若仿真时间到，则结束，否则转1。编写仿真程序，求解系统输出响应。四、实验结果及分析五、思考题1．试比较零阶保持器与双线性变换法区别。实验五采样控制系统的数字仿真一、实验目的3．掌握采样控制系统基本原理；4．掌握常用的离散化方法；5．掌握采样控制系统的仿真方法。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容已知采样系统结构如下图所示，求系统的输出响应。y_+r=1111sseTs1s1PID控制器y_+r=101010ss122s滞环非线性特性1.05.0ssy将系统中连续部分采用零阶保持器离散化，系统采用离散化方法进行仿真（同步采样），其具体步骤如下：1、给定参考输入，输入仿真时间，采样周期（T=0.1s），PID控制器参数；2、将被控对象按零阶保持器方法离散化；3、给定参数初始值；4、计算误差和控制器输出；5、计算系统输出；6、参数值更新7、若仿真时间到，则结束，否则转1。编写仿真程序，并调整控制器参数，使得系统输出响应较为合理。四、实验结果及分析五、思考题2．同步采样与异步采样在程序实现上有何区别？实验六串联超前校正一、实验目的1．掌握超前校正装置的基本特性；2．熟悉串联超前校正方法。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容设有一单位负反馈系统，其开环传递函数为：)2()(0ssksG，要求系统的稳态速度误差系数kv=20(1/s)，相位裕量r50，幅值裕量kg10db，试确定串联校正装置。设计基本步骤：1．根据性能指标确定开环增益k；2．利用确定的开环增益k画出未校正系统的Bode图，并求其相位裕量r0和幅值裕量kg；3．确定所需增加的超前相位角0rrc，一般取5～15；4．令超前校正装置最大超前角cm，则ccsin1sin1；5．将校正装置的最大超前相位角处的频率mw作为校正后系统的剪切频率cw，则：1|)(|0cjwG；6．根据cmww，可求得：cwT1；7．画出校正后系统Bode图，检验指标是否满足，如不满足，增大重新设计。四、实验结果及分析五、思考题1．简述串联超前校正的基本思想。实验七控制系统的计算机辅助分析一、实验目的1．掌握控制系统的稳定性分析；2．掌握控制系统的时域分析；3．学会利用MATLAB软件求解控制系统性能指标。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容1．已知闭环系统的开环传递函数为122532423)(2345234ssssssssssG判断系统的稳定性，并给出不稳定极点。2．对于典型二阶系统2222)(nnnsssG试绘制出自然振荡频率ωn=6，阻尼比ξ＝0.2时系统的单位阶跃响应，并求出稳态误差、上升时间，最大超调量及调节时间。四、实验结果及分析实验八积分分离PID控制算法及仿真一、实验目的1．掌握积分分离PID控制算法原理；2．掌握积分分离PID控制器设计。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验内容已知某被控对象传递函数为160)(80sesGs，采样时间为20s，延迟时间为4个采样时间，试设计积分分离PID控制器，并求出系统输出响应。积分分离算法：kjdipTkekekTjekkekku0))1()(()()()(式中，β为积分项开关系数，)(0)(1keke设计基本步骤：1、给定参考输入，输入仿真时间，采样周期（T=0.1s），积分分离PID控制器参数；2、被控对象离散化：y(k)=-den(2)y(k-1)+num(2)u(k-5)；3、给定输入信号r(k)=40；4、设定阈值ε0，计算当前误差e(k)，若)(ke时，采用PD控制，避免超调过大，同时使系统响应较快；当)(ke时，采用PID控制，保证精度。5、计算系统响应y(k)。四、实验结果及分析五、思考题1、试比较PID与积分分离PID控制算法。