《控制系统计算机辅助设计》实验指导书.doc

自动化专业（12个学时）控制系统计算机辅助设计实验指导书刘璎瑛南京农业大学工学院自动化教研室2012年6月目 录实验一 Matlab环境熟悉与基本运算 3实验二 Matlab语言程序设计5实验三 控制系统时、频域仿真6实验四 控制系统模型的建立和分析 8实验一、Matlab环境熟悉与基本运算一、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、基本运算方法；3、熟悉 Matlab 绘图命令及基本绘图控制。二、实验原理MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。MATLAB有3种窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m-文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。1命令窗口（The Command Window）当MATLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为m-文件。2m-文件编辑窗口（The Edit Window）我们可以用m-文件编辑窗口来产生新的m-文件，或者编辑已经存在的m-文件。在MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的m-文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的m-文件，并且可以在这个窗口中编辑这个m-文件。三、实验内容：1、矩阵运算（1）矩阵的乘法 已知 A=1 2;3 4; B=5 5;7 8; 求 A2*B（2）矩阵除法 已知 A=1 2 3;4 5 6;7 8 9; B=1 0 0;0 2 0;0 0 3; 求 AB,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=1 2 3;4 5 6;7 8 9; 求 A 中第 3 列前 2 个元素；A 中所有列第 2，3 行的元素；（5）复数矩阵的生成：生成矩阵，若a1=3,a2=-2,a3=9,a4=23,b1=5,b2=3,b3=6,b4=33,求出矩阵的具体数值。2、多项式（1）求多项式 p(x) = x3 + 2x+ 4的根（2）已知 A=1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4 ， 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；3、 基本绘图命令（1）绘制余弦曲线 y=cos(t)，t0，2（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)， t0，24、基本绘图控制 绘制0，4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、比例、网络线 （3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本；四、实验报告利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。实验二 Matlab语言程序设计一、实验目的1、掌握 Matlab 软件使用的基本方法；2、熟悉 Matlab 程序设计的基本方法二、实验原理根据MATLAB基本数值计算、数据分析和图形函数的功能，按程序设计要求完成对象计算的MATLAB程序。三、实验内容1、编写命令文件：计算 1+2+n<2000 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 15 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。四、实验要求 利用所学知识，完成上述3项实验内容，并将实验用程序和结果写在实验报告上。五、实验思考题1.用FOR和WHILE语句有何要求？2.用户数据的输入有那几种函数？实验三 控制系统时、频域仿真一实验目的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=0.7,n 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n =6,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=0.7,n 取 2、4、6、8、10、12 的伯德图 （2）典型二阶系统传递函数为： 当n =6,取 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 的伯德图。（3）请绘制出下面系统模型的Nyquist图、Bode图和Nichols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、实验要求 利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验用程序和结果写在实验报告上。如果有图，则将图复制在实验报告上。四、实验思考题1.二维图形函数有何要求？2.如果要求实验中所用数据由用户从键盘输入，根据如何编写？实验四、控制系统模型的建立和分析一实验目的1熟悉并掌握控制系统模型的建立。2掌握如何使用 Matlab 进行系统的稳定性分析3了解控制系统的PID控制器的基本设计方法。二实验内容1在MATLAB环境中输入下面的系统模型假设前面例子中所有的模型均为开环模型，并假设每个模型都有单位负反馈结构，请用MATLAB语言求出系统的闭环模型，并求出开环和闭环系统的零点和极点。2假设系统由两个模块和串联连接而成，已知且 若想求出总系统的状态方程模型，请在MATLAB下比较下面两种方法将有何不同结果：A. 将两个传递函数模型进行串联连接，然后求出整个系统的状态方程模型。B. 求出两个模型的状态方程表示，然后求出整个系统的状态方程模型。给出状态方程模型，请判定系统的稳定性，3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 求零极点分布图两种方法） 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。4假设系统的对象模型为这个控制器与对象模型进行串联连接，假定整个闭环系统是由单位负反馈构成的，请求出闭环系统的传递函数模型，并求出该模型的各种状态方程的标准型实现。同时写出开环和闭环系统的零极点模型表示。三实验报告1列出系统的三种典型模型（连续/离散）：传递函数、零极点增益、状态空间，及其各种模型之间的转换语句；控制系统模型的稳定性分析、时域分析、频域分析常用方法；2将上述4道题目的实验结果整理撰写，并给出相应的图表曲线；3对实验中发现的问题进行分析、讨论。四注意事项1关于PID控制器的设计，需要使用到专用的函数命令，需要自行预习这些内容；2请翻阅自动控制原理教材，复习相关概念（比如Nyquist图、Bode图和Nichols图的概念）。