《仪表仿真技术》实验指导书
《仪表仿真技术及仪表》实验指导书 王向红曾志伟 20011年3月 实验一 基本simul ink仿真系统设计 实验二二元系统建模技术 实验三非连续系统及混合系统设计 实验四PID控制器的设计及封装技术 实验五PID控制器的应用 实验六通信系统建模与仿真 实验一基本simulink仿真系统设计 1.1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. 掌握模块操作、信号线操作、模型注释的基本技巧; 1.2预习要求 1. Simulink中模块库的组成和各部分的功能; 2. 掌握源模块、系统模块、输出模块的含义及基本系统框图结构。 1.3实验内容 1. 在命令窗口中输入simulink命令或在工具栏中点击瞽图标,观察期模块 库的构成; 2. 熟悉基本模块库中的demo; 3. 了解各模块参数的设定及示波器的使用方法; 4. 新建模型文件,搭建2个简单的simulink仿真模型,对模型进行注释并仿 真。 模型1: x(0 = sin(5。+ 5 x(0) = 1 模型2: 其中 m=l, c=l, k=l mx(0 + cx(t) + kx(t) = F(t) x(0) = 1, x(0) =0,F = 5exp(-2r) 1.4实验报告要求 1 .简略写出实验内容的操作步骤 2. 给出Simulink仿真模型和运行结果; 3. 体会与建议。 1.5思考题 1 .simulink的基本功能是什么? simulink进行系统仿真设计的基本步骤是什么? 实验二二元系统建模技术 2. 1实验目的 1 .掌握Simulink二元系统仿真模型的建立。 2.掌握用不同的算法(od45,ode15s等)、不同的仿真时间对系统的影响。 2. 2预习要求 了解用不同的仿真参数、不同的算法、不同的仿真时间进行仿真实验,对仿 真结果的影响。 2. 3实验内容 1 >设计Simulink仿真模型 2、在Simulink环境构建仿真模型 3、了解参数、算法、仿真时间的设定方法 模型1: x = -100 x-100.1y [y = 100.1S00L°)= 5f 模型2: X = 7]X(1 - — - sx —) Ylfl i 2 , k=/^=],= 100, S] = 0.5, $2 = 2,= 10. y = r2y(l-52--^)一^ 一 “1 ri 2. 4报告要求 1 >写出Simulink仿真模型 2、分析Simulink仿真模型在不同的参数、不同的算法、不同的仿真时间进 行仿真实验的结果。 3. 体会与建议。 2. 5思考题 1 .simulink仿真算法的适用范围? 实验三非连续系统及混合系统设计 2. 1实验目的 1. 掌握非连续系统的建模方法; 2. 掌握混合系统的建模方法; 3. 2预习要求 1. 了解非连续各模块库模块的功能; 2. 了解离散模块库各模块的功能; 3. 了解不同系统求解器的应用场所。 3. 3实验内容 1 设计Simulink仿真模型; 2、分析非连续系统和混合系统在Simulink中建模、仿真的异同; 模型1:由一个小车系统简单模拟卫星的位置控制过程,控制的目的是使卫 星按指定路径运行,即让小车静止的原点。小车由两个喷射式发动机推动在光滑 的平面内运动。若小车的速度和位移之和为负值,则启动左边的发动机;若小车 的速度和位移之和为正,则启动右边的发动机。如图1所示。其模型为: 尸=1, x + x < 0 动力学方程:mx = F ,其中 m=5kg, 0 F = 0, x + x = O 图1小车运行示意图 模型2: x、(k +1)=尤 i(k) + 0.1工2(*) + 0.5sin(5。 x2(k +1) = - 0.05 sin W*) + 0・°94 尤2(*) + 0.75 3. 4报告要求 1、写出Simulink仿真模型; 2、简略写出实验内容的操作步骤及运行结果; 3. 5思考题 1 .连续系统、非连续系统、离散系统以及混合系统的在simulink中建模仿真 需注意什么? 实验四PID控制器的设计及封装技术 4. 1实验目的 1. 掌握PID连续、离散系统的建模方法; 2. 研究PID控制器对系统的影响; 3. 掌握子系统封装技术 4. 2预习要求 掌握PID控制的原理。 1. 模拟PID控制器 典型的PID控制结构如图2所示。 :PID控制器 : I I :——►比例 : e4- II I I :―►微分——: 图2典型PID控制结构 PID调节器的数学描述为 “(f) = pe(t) + 灯e(r)dr + d ~~~ 2数字PID控制器 积分环节:x(〃)= x(n -1) + e(〃) 、微分环节:s(〃)= e(〃)- e(〃 -1) 离散PID表达式: u(n) = pe(n) + kx(n) + ds(n) 4. 3实验内容 1、设计模拟PID控制器仿真模型 2、设计数字PID控制器仿真模型 3、对建立的模拟和数字PID控制进行封装,比例因子h积分因子,和微分 因子d均为可输入的变量。 4. 4报告要求 1 >写出Simulink仿真模型 2、分析Simulink仿真模型在不同的h,和d参数时仿真实验的结果。 4. 5思考题 E i、d参数如何影响模型? 实验五PID控制器的应用 5. 1实验目的 1. 掌握PID控制器的应用; 2. 研究PID控制器对系统的影响; 5. 2预习要求 掌握PID控制的原理,典型PID控制器的应用框图如图3所示。 图3典型PID控制器的应用框图 5. 3实验内谷 1、汽车行驶在图4所示的斜坡上(可看作汽车沿直线山坡路向前行驶)。 1)建立汽车运动的数学模型 :PID控制器 : 根据牛顿第二定律,汽车的运动方程:mx = Fe-Fw-Fh 式中,m=100为汽车质量;Fe是引擎动力,汽车最大驱动力为600,最大制动 力为-600,即-600