2022年中国矿业大学《控制系统计算机仿真》实验试题及仿真程序及结果 .pdf
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1、实验一1、(教材 P37 页例2.1 )已知一阶微分方程:试编写程序,用欧拉法求,即的值;并画出图形。解:程序如下:clcclearTf=input( 仿真时间 Tf=); % 输入仿真时间h=input( 计算步长 h= ); %输入仿真步长x0=1/3; t=0; x=x0; % 输入初始值for i=1:Tf/h K1=-30*x0; x1=x0+h*K1; x=x;x1; % 变量以向量形式保存 t=t;t(i)+h; % 对应时刻以向量形式保存 x0=x1;endt,x % 以数据形式输出plot(t,x) % 以曲线形式输出所绘图形如下:00.20.40.60.811.21.41.
2、6-0.2-0.100.10.20.30.40.5X: 1.5Y: 3.104e-0102、2. (教材 P79习题 2.5)已知系统的状态方程和输出方程为:式中 u(t)=1(t)。初始条件为:x1(0)=x2(0)=x3(0)=0。取h=0.05,试用RK4法求t=0.5时的y 值。解:程序如下:05.0,3/1)0(,30hyyy)5.1(ty30y321321321001104000121019018xxxyuxxxxxx精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 34 页clcclearu=1;x0=0; t=0;y=0;
3、x0=0;0;0;A=-8 1 0;-19 0 1;-12 0 0;B=0;4;10;C=1 0 0;Tf=input( 仿真时间 Tf=);h=input( 计算步长 h= );x=x0;for i=1:Tf/h K1=A*x+B*u; K2=A*(x+h*K1/2)+B*u; K3=A*(x+h*K2/2)+B*u; K4=A*(x+h*K3)+B*u; x=x+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6; y=y;C*x; t=t;t(i)+h;endyplot(t,y) 所绘图形如下:0510152025303500.10.20.30.40.50.60.70.80.900.05 0.1
4、0.15 0.20.25 0.30.35 0.40.45 0.500.050.10.150.20.25X: 0.5Y: 0.2201精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 34 页3、已知系统的传递函数,试求其状态方程及输出方程。(教材 P26页 习题1.7 )解:程序如下:den=1 3;num=1 3 3 1;A,B,C,D=tf2ss(den,num) 运行结果如下:A = -3 -3 -1 1 0 0 0 1 0 B = 1 0 0 C = 0 1 3 D = 0 4、已知线性定常系统的状态方程及输出方程,试求系统的传递
5、函数。(教材 P26页 习题1.8 )解:程序如下:A=-1 1 0;0 -1 0;0 0 -2;B=0;0;1;C=1 0 1;den,num=ss2tf(A,B,C,D) 运行结果如下:1333)(23sssssG321321321 101 1002-00010011xxxyuxxxxxx精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 34 页den = 0 1 2 1 num = 1 4 5 2 5、 (教材P48页 例2.4 )如图所示的直流电机拖动系统,试在SIMULINK 环境下建立系统仿真模型:1)采用欧拉法与四阶龙格库塔
6、法进行仿真,并确定其步长的稳定区间,取不同步长比较仿真结果;2)采用RK4研究外环 PI控制器参数的改变 (0.17 0.5 1 1.5),观其阶跃响应对系统动态参数的影响。(1)、欧拉法clcclearTf=10; % 输入仿真时间h=input( 计算步长 h= ); %输入仿真步长P=1 0.01 0.1 0; 0 0.85 1 0.17; 1 0.01 1 0; 0 0.051 1 0.15; 1 0.0067 70 0; 1 0.15 0.21 0; 0 1 130 0; 1 0.01 0.1 0; 1 0.01 0.0044 0; % 输入各环节参数W0=zeros(9,1);W0
7、(1,1)=1; % 输入外部链接矩阵W=zeros(9,9);W(2,1)=1;W(2,9)=-1;W(3,2)=1;W(4,3)=1;W(4,8)=-1;W(5,4)=1;W(6,5)=1;W(6,7)=-0.212;W(7,6)=1;W(8,6)=1;W(9,7)=1; % 输入系统连接矩阵精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 34 页A=diag(P(:, 1);B=diag(P(:, 2);C=diag(P(:, 3);D=diag(P(:, 4); % 生成系数矩阵Q=B-D*W;Q1=inv(Q);R=C*W-A
8、; V=C*W0;A1=Q1*R; B1=Q1*V; % 生成闭环系数矩阵C1=0 0 0 0 0 0 1 0 0;u=1; %阶跃输入幅值x0=zeros(9,1); t=0;y=0; % 设置初值x=x0;for i=1:Tf/h K1=A1*x+B1*u; x=x+h*K1; y=y;C1*x; t=t;t(i)+h;endplot(t,y)计算步长 h=0.011 计算步长 h=0.012 0123456789100510152025303540012345678910-2-1.5-1-0.500.511.522.5x 1050四阶龙格库塔法:clcclearTf=input( 仿真时
9、间 Tf=); % 输入仿真时间h=input( 计算步长 h= ); %输入仿真步长P=1 0.01 0.1 0; 0 0.85 1 0.17; 1 0.01 1 0; 0 0.051 1 0.15; 1 0.0067 70 0; 1 0.15 0.21 0; 0 1 130 0;精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 34 页 1 0.01 0.1 0; 1 0.01 0.0044 0; % 输入各环节参数W0=zeros(9,1);W0(1,1)=1; % 输入外部链接矩阵W=zeros(9,9);W(2,1)=1;W(2
10、,9)=-1;W(3,2)=1;W(4,3)=1;W(4,8)=-1;W(5,4)=1;W(6,5)=1;W(6,7)=-0.212;W(7,6)=1;W(8,6)=1;W(9,7)=1; % 输入系统连接矩阵A=diag(P(:, 1);B=diag(P(:, 2);C=diag(P(:, 3);D=diag(P(:, 4); % 生成系数矩阵Q=B-D*W;Q1=inv(Q);R=C*W-A; V=C*W0;A1=Q1*R; B1=Q1*V; % 生成闭环系数矩阵C1=0 0 0 0 0 0 1 0 0;u=1; %阶跃输入幅值x0=zeros(9,1); t=0;y=0; % 设置初值x
11、=x0;for i=1:Tf/h K1=A1*x+B1*u; K2=A1*(x+h*K1/2)+B1*u; K3=A1*(x+h*K2/2)+B1*u; K4=A1*(x+h*K3)+B1*u; x=x+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6; y=y;C1*x; t=t;t(i)+h;endplot(t,y)仿真时间 Tf=20 仿真时间Tf=5 仿真时间Tf=100 计算步长 h=0.015 计算步长 h=0.015 计算步长h=0.016 02468101214161820051015202530354000.5 11.5 22.5 33.5 44.5 505101520253035
12、40020406080100120-18-16-14-12-10-8-6-4-202x 10302精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 34 页(2)、clcclearTf=input( 仿真时间 Tf=); % 输入仿真时间h=input( 计算步长 h= ); %输入仿真步长P=1 0.01 0.1 0; 0.17 0.5 1 1.5; 1 0.01 1 0; 0 0.051 1 0.15; 1 0.0067 70 0; 1 0.15 0.21 0; 0 1 130 0; 1 0.01 0.1 0; 1 0.01 0.00
13、44 0; % 输入各环节参数W0=zeros(9,1);W0(1,1)=1; % 输入外部链接矩阵W=zeros(9,9);W(2,1)=1;W(2,9)=-1;W(3,2)=1;W(4,3)=1;W(4,8)=-1;W(5,4)=1;W(6,5)=1;W(6,7)=-0.212;W(7,6)=1;W(8,6)=1;W(9,7)=1; % 输入系统连接矩阵A=diag(P(:, 1);B=diag(P(:, 2);C=diag(P(:, 3);D=diag(P(:, 4); % 生成系数矩阵Q=B-D*W;Q1=inv(Q);R=C*W-A; V=C*W0;A1=Q1*R; B1=Q1*V;
14、 % 生成闭环系数矩阵C1=0 0 0 0 0 0 1 0 0;u=1; %阶跃输入幅值x0=zeros(9,1); t=0;y=0; % 设置初值x=x0;for i=1:Tf/h K1=A1*x+B1*u; K2=A1*(x+h*K1/2)+B1*u; K3=A1*(x+h*K2/2)+B1*u; K4=A1*(x+h*K3)+B1*u; x=x+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6; y=y;C1*x; t=t;t(i)+h;endplot(t,y)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 34 页仿真时间 Tf=20
15、 计算步长h=0.015 02468101214161820051015202530仿真时间 Tf=5 计算步长h=0.015 00.511.522.533.544.55051015202530精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 34 页SIMULINK仿真0.00440.01s+10.10.01s+1130s0.210.15s+1700.00167s+10.15s+10.051s10.01s+10.17s+10.85s0.10.01s+1y1To WorkspaceSaturation10.212精选学习资料 - - -
16、- - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 34 页0.00440.01s+10.10.01s+1130s0.210.15s+1700.00167s+10.15s+10.051s10.01s+10.17s+10.85s0.10.01s+1y1To Workspace0.212精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 34 页实验二1、已知某四阶非线性系统结构框图如图1 所示。当系统输入幅值为10 的阶跃信号时,试仿真分析系统输出响应:1)在 SIMULINK环境下建立仿真模型,输出仿真结果;2
17、)采用 MATLAB 语言编程实现仿真程序,与1)进行结果比较;3)在第一环节前加饱和非线性环节,分析限幅C1=6、2 时系统的输出响应,并与没限幅前比较其超调、峰值时间及调节时间。解: (1)SIMULINK图形如下1ss+0.785s+0.1610.1s+110.5s+11ss+0.785s+0.1610.1s+110.5s+110.1s+110.5s+11ss+0.785s+0.16Saturation1Saturation10.1s+110.5s+11ss+0.785s+0.16精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共
18、34 页(2)子程序: satura.mfunction uc=satura(ur,s1)%ur=1;s1=5;if (ur=s1) uc=s1;elseif (ur=s1)if (ur0) uc=ur-s1;else uc=ur+s1;endelse uc=0;End 主程序:clcclearTf=20; % 输入仿真时间h=0.01; %输入仿真步长z=input( 非线性标志向量z= ); %输入非线性标志向量c1=input( 饱和非线性环节限幅c1=); % 输入饱和非线性环节参数a1=6;% 输入死区非线性环节参数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
19、- - - - - -第 12 页,共 34 页P=0.16 1 0.785 1; 0 1 1 0; 1 0.5 1 0; 1 0.1 1 0; % 输入各环节参数A=P(:,1);B=P(:,2);C=P(:,3);D=P(:,4);W0=zeros(4,1);W0(1,1)=1; % 输入外部链接矩阵W=zeros(4,4);W(1,4)=-1;W(2,1)=1;W(3,2)=1;W(4,3)=1;for i=1:4if(A(i)=0); F(i)=1; G(i)=h*C(i)/B(i); H(i)=0.5*h*h*C(i)/B(i);if (D(i)=0) C1(i)=1;D1(i)=0
20、; else C1(i)=1;D1(i)=D(i)/B(i); % 求积分、比例积分环节离散系数endelse F(i)=exp(-h*A(i)/B(i);if (D(i)=0) G(i)=(1- F(i)*C(i)/A(i); H(i)=h*C(i)/A(i)-G(i)*B(i)/A(i); C1(i)=1;D1(i)=0; else G(i)=(1- F(i)*D(i)/A(i); H(i)=h*D(i)/A(i)-G(i)*B(i)/A(i); C1(i)=C(i)/D(i)-A(i)/B(i); D1(i)=D(i)/B(i); % 求惯性、比例惯性环节离散系数endendend%F1
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