控制工程基础试验指导书新

《控制工程基础》《控制工程基础》 MATLABMATLAB 仿真实验指导书仿真实验指导书 邵阳学院机械与能源工程系机制教研室 2009 年 8 月 目录目录 实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 1 实验二一、二阶系统时域特性分析 6 实验三控制系统频域特性分析 8 实验四控制系统稳定性仿真 . 11 实验五控制系统校正及 PID 仿真 . 2 15 实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 一、实验目的 1. 2. 3. 4. 掌握 MATLAB 软件使用的基本方法； 熟悉 MATLAB 的数据表示、基本运算和程序控制语句； 熟悉 MATLAB 程序设计的基本方法。 学习用 MATLAB 创建控制系统模型。 二、二、实验原理实验原理 1.1. MATLABMATLAB 的基本知识的基本知识 MATLAB 是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。MATLAB 具有卓越的数值 计算能力， 具有专业水平的符号计算， 文字处理， 可视化建模仿真和实时控制等功能。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相 似,故用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多。 当 MATLAB 程序启动时， 一个叫做 MATLAB 桌面的窗口出现了。 默认的 MATLAB 桌 面结构如下图所示。 在 MATLAB 集成开发环境下， 它集成了管理文件、 变量和用程序的许多编程工具。 在 MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有： 命令窗口命令窗口（The Command Window）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符() 后输入一系列的命令， 回车之后执行这些命令， 执行的命令也是在这个窗口中实现的。 命令历史窗口命令历史窗口（The Command History Window）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。即最早的命令在排在最下面，最后的命 令排在最上面。这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。双击这些命令可使它 再次执行。要在历史命令窗口删除一个或多个命令，可以先选择，然后单击右键，这 时就有一个弹出菜单出现，选择 Delete Section。任务就完成了。 1 工作台窗口工作台窗口（Workspace）: 工作空间是 MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。 在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编 辑、保存和删除。 当前路径窗口当前路径窗口（Current Directory Browser） MATLAB 命令常用格式为:变量=表达式 或直接简化为:表达式 通过“=”符号将表达式的值赋予变量，若省略变量名和“ =” 号，则 MATLAB 自动产生一个名为 ans 的变量。 变量名必须以字母开头，其后可以是任意字母、数字或下划线，大写字母和小写 字母分别表示不同的变量，不能超过19 个字符，特定的变量如：pi（=3.141596） 、 Inf（=∞） 、NaN(表示不定型求得的结果,如 0/0）等不能用作它用。 表达式可以由函数名、运算符、变量名等组成，其结果为一矩阵，赋给左边的变 量。 MATLAB 所有函数名都用小写字母。MATLAB 有很多函数，因此很不容易记忆。可 以用帮助（HELP）函数帮助记忆，有三种方法可以得到MATLAB 的帮助。最好的方法 是使用帮助空间窗口（helpbrowser） 。你可以单击 MATLAB 桌面工具栏上的图标，也 可以在命令窗口(The CommandWindows)中输入helpdesk 或helpwin 来启动帮助空间 窗口（help browser） 。你可以通过浏览 MATLAB 参考证书或搜索特殊命令的细节得 到帮助。 另外还有两种运用命令行的原始形式得到帮助。 第一种方法是在 MATLAB 命令窗口(The Command Windows)中输入 help 或 help 和所需要的函数的名字。如果你在命令窗口(The Command Windows)中只输入 help， MATLAB 将会显示一连串的函数。 如果有一个专门的函数名或工具箱的名字包含在内， 那么 help 将会提供这个函数或工具箱。 第二种方法是通过 lookfor 函数得到帮助。lookfor 函数与 help 函数不同， help 函数要求与函数名精确匹配，而 lookfor 只要求与每个函数中的总结信息有匹 配。Lookfor 函数比 help 函数运行起来慢得多，但它提高了得到有用信息的机会。 使用 HELP 函数可以得到有关函数的屏幕帮助信息。 常用运算符及特殊符号的含义与用法如下： +数组和矩阵的加法 -数组和矩阵的减法 *矩阵乘法 /矩阵除法 [ ]用于输入数组及输出量列表 ( )用于数组标识及输入量列表 ‘ ’ 其内容为字符串 ,分隔输入量,或分隔数组元素 2 ； 1.分开矩阵的行 2. 在一行内分开几个赋值语句 3．需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“； ”号，否则要加“； ” 号。 %其后内容为注释内容，都将被忽略，而不作为命令执行 …用来表示语句太长,转到第二行继续写 回车之后执行这些命令 举例：矩阵的输入 1 2 3 A= 4 5 6 7 8 9 矩阵的输入要一行一行的进行，每行各元素用（， ）或空格分开，每行用（； ）分 开。 MATLAB 书写格式为： A=[1,2,3;4,5,6;7,8,9] 或 A=[1 2 3 ；4 5 6 ；7 8 9] 回车之后运行程序可得到 A 矩阵 A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“； ”号，否则要加“； ”号。 运行下面两种格式可以看出他们的区别 a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9] a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; a = 1 2 3（不显示计算结果） 4 5 6 7 8 9 2.2. 系统建模系统建模 (1)(1)系统的传递函数模型系统的传递函数模型 系统的传递函数为： C (s)b 1s mb 2 sm 1.b n sb m1G (s) R(s)a 1s na 2 sn 1.a n sa n 1 对线性定常系统，式中 s 的系数均为常数，且 a1 不等于零，这时系统在 MATLAB 中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来， 这两个向量可分别 3 用变量名 num 和 den 表示。 num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[a1,a2,…,an,an+1] 注意：它们都是按 s 的降幂进行排列的。 举例： 传递函数: 输入: num=[12,24,0,20],den=[2 4 6 2 2] 显示: num = 12 24 0 20 den = 2 4 6 2 2 (2)(2)模型的连接模型的连接 1）并联：parallel 格式： [num,den]=parallel(nu