哈工大仿真技术及应用实验指导书

仿真技术及应用实验指导书哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录前言 ................................................................................... 错误！未定义书签。

目录 (I)实验项目 (1)实验1 利用替换法构建系统仿真模型实验 (1)1.1 实验目的 (1)1.2 实验内容与要求 (1)1.5 实验报告要求 (2)实验2 利用根匹配法构建系统仿真模型实验 (3)2.1 实验目的 (3)2.2实验内容与要求 (3)2.5实验报告要求 (4)实验3 利用数值积分算法的仿真实验 (5)3.1 实验目的 (5)3.2 实验内容与要求 (5)3.5实验报告要求 (6)实验四基于Simulink控制系统仿真与综合设计 (7)4.1实验目的 (7)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2实验内容与要求 (7)4.5 实验报告要求 (8)实验五基于Simulink三相电路仿真 (9)5.1实验目的 (9)5.2实验内容与要求 (9)5.5 实验报告要求 (11)实验六基于Simulink的直流斩波电路仿真实验 (11)6.1实验目的 (11)6.2实验内容与要求 (11)6.5 实验报告要求 (12)实验七基于Simulink的简单电力系统仿真实验 (13)7.1实验目的 (13)7.2实验内容与要求 (13)7.5 实验报告要求 (14)实验8 基于Simulink的伺服系统仿真 (14)8.1实验目的 (14)8.2实验内容与要求 (15)仿真技术及应用实验指导书实验项目实验1 利用替换法构建系统仿真模型实验1.1 实验目的1) 熟悉MATLAB 的工作环境；2) 掌握MATLAB 的 .M 文件编写规则，并在命令窗口调试和运行程序；3) 掌握利用替换法构造系统离散模型的方法,并对仿真结果进行分析。

1.2 实验内容与要求1.2.1 实验内容系统电路如图 1.1所示。

电路元件参数：直流电压源V E 1=，电阻Ω=10R ，电感H L 01.0=，电容F C μ1=。

电路元件初始值：电感电流A i L 0)0(=，电容电压V u c 0)0(=。

系统输出量为电容电压)(t u c 。

连续系统输出响应)(t u c 的解析解为：))/sin (cos 1()(ωωωa t t e U t u at s c ⨯+⨯-=- （1.1） 其中，L R a 2=，221⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L R LC ω仿真技术及应用实验指导书DC)(tu c 图 1.1 RLC串联电路1.2.2 实验要求1）分别利用简单替换法和双线性替换法构建与原系统相似的离散系统模型，并求出离散系统的输出量响应曲线；2）对比分析利用简单替换法和双线性替换法构建的与原系统相似的离散系统模型的仿真精度与模型运行的稳定性问题；3）利用Matlab软件的.m文件编写系统仿真程序；4）利用subplot和plot函数将输出结果画在同一个窗口中，每个子图加上对应的标题。

1.5 实验报告要求１）给出利用简单替换法及双线性替换法构建离散系统模型的过程及其传递函数模型和差分方程模型；２）给出系统仿真程序；３）选择一组典型的采样周期，对系统进行仿真试验，给出仿真试验曲线；４）分析仿真结果，从仿真模型实现的难易性、模型的稳定性、模型的精度等方面，对两种方法构造的离散系统模型进行对比分析，并给出分析结论。

仿真技术及应用实验指导书实验2 利用根匹配法构建系统仿真模型实验2.1 实验目的1)熟悉MATLAB 的工作环境；2)掌握M 文件编写规则及在MATLAB 命令窗口运行程序；3)掌握利用根匹配法构造系统离散模型的方法，并对仿真结果进行分析。

2.2 实验内容与要求2.2.1 实验内容系统电路如图 2.1所示。

电路元件参数：直流电压源V E 1=，电阻Ω=10R ，电感H L 01.0=，电容F C μ1=。

电路元件初始值：电感电流A i L 0)0(=，电容电压V u c 0)0(=。

系统输出量为电容电压)(t u c 。

连续系统输出响应)(t u c 的解析解为：))/sin (cos 1()(ωωωa t t e U t u at s c ⨯+⨯-=- （2-1） 其中，L R a 2=，221⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L R LC ω。

仿真技术及应用实验指导书u c)(t图2.1 RLC串联电路2.2.2 实验要求1）利用跟匹配法构建与原系统相似的离散系统模型，并求出离散系统的输出量响应曲线；2）对比分析利用简单替换法、双线性替换法和跟匹配法构建的与原系统相似的离散系统模型的仿真精度与模型运行的稳定性问题；3）利用Matlab软件的.m文件编写系统仿真程序；4）将离散系统仿真结果输出到文件中。

编写.m文件程序调用该数据文件，并利用plot函数将离散系统仿真结果与原系统的解析解画在同一个坐标系中。

2.5实验报告要求１）给出利用根匹配法构建离散系统模型的过程及其传递函数模型和差分方程模型；２）给出系统仿真程序；３）选择一组典型的采样周期，对系统进行仿真试验，给出仿真试验曲线及算法误差曲线（与准确解相比）；仿真技术及应用实验指导书４） 分析仿真结果。

从仿真模型实现的难易性、模型的稳定性、模型的精度和算法误差与采样周期的关系角度，对算法的仿真结果进行分析，并与双线性变换法的仿真结果进行对比分析。

实验3 利用数值积分算法的仿真实验3.1 实验目的1) 熟悉MATLAB 的工作环境；2) 掌握MATLAB 的 .M 文件编写规则，并在命令窗口调试和运行程序；3) 掌握利用欧拉法、梯形法、二阶显式Adams 法及四阶龙格库塔法构建系统仿真模型的方法,并对仿真结果进行分析。

3.2 实验内容与要求3.2.1 实验内容系统电路如图 2.1所示。

电路元件参数：直流电压源V E 1=，电阻Ω=10R ，电感H L 01.0=，电容F C μ1=。

电路元件初始值：电感电流A i L 0)0(=，电容电压V u c 0)0(=。

系统输出量为电容电压)(t u c 。

连续系统输出响应)(t u c 的解析解为：))/sin (cos 1()(ωωωa t t e U t u at s c ⨯+⨯-=- （2-1） 其中，L R a 2=，221⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L R LC ω。

仿真技术及应用实验指导书u c)(t图2.1 RLC串联电路3.2.2 实验要求1）利用欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta 法构建系统仿真模型，并求出离散系统的输出量响应曲线；2）对比分析利用欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法构建系统仿真模型的仿真精度与模型运行的稳定性问题；3）分别编写欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法的.m函数文件，并存入磁盘中。

.m函数文件要求输入参数为系统状态方程的系数矩阵、仿真时间及仿真步长。

编写.m命令文件，在该命令文件中调用已经编写完成的上述.m函数文件，完成仿真实验；4）利用subplot和plot函数将输出结果画在同一个窗口中，每个子图加上对应的标题。

3.5实验报告要求１）给出欧拉法、梯形法、二阶显式Adams法及显式四阶Runge-Kutta法构建离散系统模型的过程；仿真技术及应用实验指导书２） 给出系统仿真程序；３） 给出仿真试验曲线；４） 分析仿真结果，从仿真模型实现的难易性、模型的稳定性、模型的精度等方面，对欧拉法、梯形法、二阶显式Adams 法及显式四阶Runge-Kutta 法构造的离散系统模型进行对比分析，并给出分析结论。

实验四 基于Simulink 控制系统仿真与综合设计4.1实验目的１） 熟悉Simulink 的工作环境及其功能模块库；２） 掌握Simulink 的系统建模和仿真方法；３） 掌握Simulink 仿真数据的输出方法与数据处理；４） 掌握利用Simulink 进行控制系统的时域仿真分析与综合设计方法；５） 掌握利用 Simulink 对控制系统的时域与频域性能指标分析方法。

4.2实验内容与要求4.2.1 实验内容图 4.1为单位负反馈系统。

分别求出当输入信号为阶跃函数信号)(1)(t t r =、斜坡函数信号t t r =)(和抛物线函数信号2/)(2t t r =时，系统输出响应)(t y 及误差信号)(t e 曲线。

若要求系统动态性能指标满足如下条件：a) 动态过程响应时间s t s 5.2≤；b) 动态过程响应上升时间s t p 1≤；c) 系统最大超调量%10≤p σ。

按图4.2所示系统设计PID 调节器参数。

仿真技术及应用实验指导书图4.1 单位反馈控制系统框图图4.2 综合设计控制系统框图3.2.2 实验要求１）采用Simulink系统建模与系统仿真方法，完成仿真实验；２）利用Simulink中的Scope模块观察仿真结果，并从中分析系统时域性能指标（系统阶跃响应过渡过程时间，系统响应上升时间，系统响应振荡次数，系统最大超调量和系统稳态误差）；３）利用Simulink中Signal Constraint模块对图4.2系统的PID参数进行综合设计，以确定其参数；４）对系统综合设计前后的主要性能指标进行对比分析，并给出PID 参数的改变对闭环系统性能指标的影响。

4.5 实验报告要求１）给出实验目的、实验任务、系统原理与结构图；２）给出系统仿真模型及仿真过程，如模型的建立、仿真方法的选择及仿真参数的设置等；仿真技术及应用实验指导书３）给出PID参数的整定过程及其整定参数；４）给出仿真试验曲线，并对其进行分析和讨论；５）数据整理和计算结果，尽量以表格列出，并标明物理量的单位；６）对比分析有无PID控制器时，系统性能指标的变化；７）根据实验结果作出结论，并给出实验过程中发现的问题、实验的收获、心得体会、对实验的建议等；８）报告要求文理通顺，简明扼要，字迹清楚。

实验5 基于Simulink三相电路仿真5.1实验目的１）掌握Simulink的工作环境及SimPowerSystems功能模块库的应用；２）掌握Simulink的电路系统建模和仿真方法；３）掌握Simulink仿真数据的输入与输出方法；４）掌握三相电源及负载的连接方式，了解三相负载不同连接方式对线路电压、电流和负载功率的影响；５）了解不对称负载作星形连接时对中点电压的影响；5.2实验内容与要求5.2.1 实验内容仿真技术及应用实验指导书三相工频电路如图 5.1所示。

三相工频电源为对称三相电源，其中()100cos()a u t t ω=。

0.1l R =Ω为线路电阻。