《控制系统仿真与CAD》实验指导书朱品伟

《控制系统仿真与CAD》实验指导书江苏理工学院电气信息工程学院朱品伟2013.12实验一Matlab使用方法和程序设计一、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绘图命令及基本绘图控制4、熟悉Matlab程序设计的基本方法二、实验内容1、帮助命令使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法；2、矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[12;34];B=[55;78];求A^2*B。（2）矩阵除法已知A=[112;496;579];B=[121;324;583];求A\B,A/B。（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];求A.',A'。（4）使用冒号选出指定元素已知：A=[123;456;789];求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素；（5）方括号[]用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列。3、多项式（1）求多项式的根（2）已知A=[1.2350.9;51.756;3901;1234]求矩阵A的特征多项式;求特征多项式中未知数为20时的值；把矩阵A作为未知数代入到多项式中；4、基本绘图命令（1）绘制余弦曲线y=cos(t)，t∈[0，2π]（2）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)，t∈[0，2π]5、基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的x1=10sint曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）坐标轴控制：显示范围、刻度线；（3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本；6、基本程序设计（1）编写命令文件：计算1+2+…+n2000时的最大n值；（2）编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到n次幂的和。（3）如果想对一个变量x自动赋值。当从键盘输入y或Y时（表示是），x自动赋为1；当从键盘输入n或N时（表示否），x自动赋为0；输入其他字符时终止程序。三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中2到6的相应程序，并写在预习报告上。实验二控制系统分析（一）一、实验目的1、掌握如何使用Matlab进行系统的时域分析2、掌握如何使用Matlab进行系统的频域分析3、掌握如何使用Matlab进行系统的根轨迹分析二、实验内容1、时域分析（1）根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并从图上读取最大超调量，绘制系统的单位脉冲响应、零输入响应曲线。（2）典型二阶系统传递函数为：当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的单位阶跃响应。（3）典型二阶系统传递函数为：当ωn=6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的单位阶跃响应。2、频域分析（1）典型二阶系统传递函数为：当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的伯德图。（2）典型二阶系统传递函数为：当ωn=6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的伯德图。3、根轨迹分析根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定的K值范围。三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告上。实验三控制系统分析（二）一、实验目的1、掌握如何使用Matlab进行系统的稳定性分析2、掌握如何使用Matlab进行系统的能观测性、能控性分析3、掌握如何使用Matlab进行离散系统分析二、实验内容1、系统稳定性分析（1）代数法稳定性判据：（用求分母多项式的根和routh函数两种方法来判定）已知系统的开环传递函数为：试对系统闭环判别其稳定性（2）根轨迹法判断系统稳定性：已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置，并判断在该点系统闭环的稳定性。（3）Bode图法判断系统稳定性：已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：用Bode图法判断系统闭环的稳定性。2、系统能控性、能观性分析已知连续系统的传递函数模型，当α分别取－1，0，＋1时，判别系统的能控性与能观性3、已知离散系统传递函数自动选择频率范围，绘制出系统的频率响应曲线，包括Bode图和Nyquist图，并求出幅值裕度和相角裕度。三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告上。实验四古典控制系统设计---根轨迹法一、实验目的掌握使用根轨迹法进行控制系统设计的方法二、实验内容1、根据二阶系统如图所示，其中ζ=0.6，ωn=5rad/s,当有一阶跃信号作用于系统时，试计算特征量tr、tp、ts、σp。2、根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定的k值范围。)2)(1()()(sssKsHsG3、设单位负反馈系统的开环传递函数为：试确定带惯的PD控制器的串联超前校正参数，使之满足：（1）阶跃响应的超调量：σ≤30%；（2）阶跃响应的超调时间：ts≤0.8s（Δ=0.02）。三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中1到2的相应程序，并写在预习报告上。实验五古典控制系统设计——Bode图法一、实验目的掌握使用Bode图法进行控制系统设计的方法二、实验内容1、设单位负被控对象的传递函数为：其设计要求：2、设有单位负反馈系统，其开环传递函数为：其设计要求：，相角裕度为50度，幅值裕度为10dB，试确定超前—滞后串联校正装置，以满足性能指标。三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中1到2的相应程序，并写在预习报告上。实验六SIMULINK仿真一、实验目的学习使用SIMULINK进行系统仿真的方法二、实验内容1、Simulink的基本操作（1）运行Simulink（2）常用的标准模块（3）模块的操作2、系统仿真及参数设置（1）算法设置（Solver）（2）工作空间设置（WorkspaceI/O）3、使用Simulink创建系统,求解非线性微分方程。其初始值为,绘制函数的波形。4、已知系统结构图如下：图1含饱和非线性环节系统方框图已知输入为信号电平从1~6，非线性环节的上下限为±1，取步长h=0.1，仿真时间为10秒，试绘制系统的响应曲线。5、PID控制系统的结构如图所示，试设计串联补偿器，使系统速度稳态误差小于10%，相角裕量PM=45º，并对系统进xxxxx44)23(22)0(,0)0(xx行仿真。图2典型PID控制系统结构图三、预习要求利用所学知识，熟悉实验内容中1到2的相应内容，编写实验内容中3、4的相应程序，并写在预习报告上。