控制系统仿真实验四(新)
简单控制系统python仿真实验
计算机基础理论实验四简单控制系统python仿真实验学号：13 姓名：陈严实验日期：2012/5/24实验目的：学习计算机仿真的方法。
实验内容：1.建立test.py文件，运行test.py,分析实验结果；2.为每一行代码写一个注释系统如上图，鼓风机吹出风需要经过阀门才能到达风轮；而风轮的转速会影响到杠杆位置间接影响到阀门开度。
鼓风机的输入为正作用；风轮以至阀门的影响为负作用（或负反馈）。
代码：#coding=utf-8#系统参数a=0.1b=1.0#系统结构，F：鼓风机的风力; F1：实际输入风力；W：风轮转速def WW(): return a*F1 //*每次输入的风力def FF1(): return F-b*W //*杠杆所得到的力#初始条件F1=2 //*实际输入风力为2W=0.2 //*风轮转速为0.2转每秒print F1,W //*输入实际风力和转速#鼓风机风力正常F=2.2 //*鼓风机的风力为2.2 print "鼓风机风力",F //*输出鼓风机的风力#随着时间增加for t in xrange(20): //*返回一个迭代序列F1,W=FF1(),WW() //*将风力和转速进行更新print F1,W //*输出更新后的风力和转速#鼓风机风力偏大F=2.3 //*当鼓风机的风力为2.3时print "鼓风机风力",F#随着时间增加for t in xrange(20): //*返回迭代列20次F1,W=FF1(),WW() //*再次更新print F1,W //*输出实际风力和转速#鼓风机风力偏小F=2.2 //*当风力为2.2时print "鼓风机风力",F#随着时间增加for t in xrange(20): //*在f=2.2时，再次迭代 F1,W=FF1(),WW()print F1,W实验结果：从结果上，风力偏小时，感觉风轮转速W有点振荡;风力偏大时，比较平稳如果装个matplotlib画个曲线图就更好了风力偏小时，分析结果:转速是风力F的函数，当感觉风轮转速W有点振荡;风力偏大时，比较平稳二者之间成正相关。
实验四 控制系统频率特性的测试 实验报告
实验四控制系统频率特性的测试一．实验目的认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。
二．实验装置（1）微型计算机。
（2）自动控制实验教学系统软件。
三．实验原理及方法（1）基本概念一个稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，输出稳态与输入信号关系如下：幅频特性相频特性（2）实验方法设有两个正弦信号：若以)(y tω为纵轴，而以tω作为参变量，则随tω的变xω为横轴，以)(t化，)(y tω?所确定的点的轨迹，将在 x--y平面上描绘出一条封闭的xω和)(t曲线（通常是一个椭圆）。
这就是所谓“李沙育图形”。
由李沙育图形可求出Xm ，Ym，φ，四．实验步骤（1）根据前面的实验步骤点击实验七、控制系统频率特性测试菜单。
（2）首先确定被测对象模型的传递函数, 预先设置好参数T1、T2、ξ、K（3）设置好各项参数后，开始仿真分析，首先做幅频测试，按所得的频率范围由低到高，及ω由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应该多取几个点五.数据处理（一）第一种处理方法：（1）得表格如下：（2）作图如下：（二）第二种方法：由实验模型即，由实验设置模型根据理论计算结果绘制bode图，绘制Bode图。
（三）误差分析两图形的大体趋势一直，从而验证了理论的正确性。
在拐点处有一定的差距，在某些点处也存在较大的误差。
分析：（1）在读取数据上存在较大的误差，而使得理论结果和实验结果之间存在。
（2）在数值应选取上太合适，而使得所画出的bode图形之间存在较大的差距。
（3）在实验计算相角和幅值方面本来就存在着近似，从而使得误差存在，而使得两个图形之间有差异六.思考讨论（1）是否可以用“李沙育”图形同时测量幅频特性和想频特性答：可以。
在实验过程中一个频率可同时记录2Xm，2Ym，2y0。
（2）讨论用“李沙育图形”测量频率特性的精度，即误差分析（说明误差的主要来源）答：用“李沙育图形”测量频率特性的精度从上面的分析处理上也可以看出是比较高的，但是在实验结果和理论的结果之间还是存在一定的差距，这些误差主要来自于从“李沙育图形”上读取数据的时候存在的误差，也可能是计算机精度方面的误差。
控制系统数字仿真 四阶龙格库塔法
控制系统数字仿真1.实验目的1.掌握利用四阶龙格-库塔（Runge-Kutta）法进行控制系统数字仿真的方法。
2.学习分析高阶系统动态性能的方法。
3.学习系统参数改变对系统性能的影响。
二、实验内容已知系统结构如下图若输入为单位阶跃函数，计算当超调量分别为5%，25%，和50%时K的取值（用主导极点方法估算），并根据确定的K值在计算机上进行数字仿真。
三、实验过程1.计算K值二阶系统单位阶跃响应的超调量%100%=⨯1.当σ%=5%时解得 ζ=0.690设主导极点=ζa + a=0.69a+j0.72a代入D （s ）= 321025s s s K +++=0中， 32(0.690.72)10(0.690.72)25(0.690.72)0a j a a j a a j a K ++++++=解得K=31.3，a=-2.10即1,21.45 1.52s j =-±2. 当σ%=25%时解得 ζ=0.403设主导极点=ζa + a=0.403a+j0.915a代入D （s ）= 321025s s s K +++=0中， 32(0.4030.915)10(0.4030.915)25(0.4030.915)0a j a a j a a j a K ++++++=解得K=59.5，a=-2.75即1,21.112.53s j =-±3. 当σ%=50%时解得 ζ=0.215设主导极点=ζa + a=0.215a+j0.977a代入D （s ）= 321025s s s K +++=0中， 32(0.2150.977)10(0.2150.977)25(0.2150.977)0a j a a j a a j a K ++++++=解得K=103，a=-3.48即1,20.75 3.4s j =-±1. 计算调节时间和超调量 将不同K 值带入到程序中，利用四阶龙格-库塔法得到如下结果：1.K=31.3时， Ts=0.7550S, σ%=4.70% 2.K=59.5时， Ts=1.4100S ，σ%=23.28% 3.K=103时， Ts=1.9700S, σ%=45.49% 1. 用MATLAB 绘制2()(5)K G S S S =+的根轨迹图如下2. 绘制降阶系统跃响应曲线对原系统进行降阶处理，所得闭环传递函数为2()()1025C S K R S S S K=++, 利用四阶龙格-库塔法绘制阶跃响应曲线如下： -25-20-15-10-50510-15-10-551015Root LocusReal Axis I m a g i n a r y A x i s2.K=59.51.验证精确K值通过程序验证得到的精确K值分别为：K=31.76(σ%=5%);K=62.48(σ%=25%); K=113.82(σ%=50%)四、实验结论1.将系统传递函数化成时域形式，可以得到一组微分方程，利用四阶龙格-库塔法，就可以计算得到系统的响应。
自动控制原理实验四-线性定常控制系统的稳定分析
实验四线性定常控制系统的稳定分析
一、实验目的
（1）深刻理解反馈对系统稳定性的作用和影响；
（2）深刻理解系统类型对系统稳定性的影响的规律；
（3）深刻理解零点对系统稳定性无影响；
（4）理解系统参数对系统稳定性的影响。
二、实验原理及内容：
1．单位反馈对系统稳定性的影响
(1) 已知开环系统结构图如图4-1所示。
R （S
其中W(S)分别为：（a ）1()0.11W s s =+和（b ）1()0.2
W s s =- (2)闭环系统单位负反馈形式为：
图4-2 闭环系统
其中W(S)同（1）。
通过观察两组W （S ）在开环和闭环两种形式下系统的零、极点分布和单位阶跃响应曲。
实验四控制系统的阶跃响应
实验四控制系统的阶跃响应实验四：控制系统的阶跃响应一、实验目的1.深入理解控制系统的阶跃响应概念及其实践方法2.掌握控制系统阶跃响应的基本步骤和计算方法3.通过实验数据分析，理解控制系统阶跃响应的特点和影响因素二、实验原理阶跃响应是控制系统的重要特性之一，描述了系统在输入阶跃函数时，输出变量的响应行为。
对于线性时不变系统，阶跃响应通常采用单位阶跃函数作为输入信号，记录并分析系统的输出响应。
通过阶跃响应，可以获得系统的动态性能指标，如系统的稳定性、快速性、准确性等。
三、实验步骤1.选择合适的控制系统，例如PID（比例-积分-微分）控制系统；2.将系统调节至阶跃响应状态，保证系统的稳定性和线性；3.利用阶跃响应函数（通常为单位阶跃函数）作为输入信号输入到控制系统中；4.通过记录系统输出响应的时域波形图，观察和分析控制系统在单位阶跃输入下的响应特性；5.利用系统的单位阶跃响应数据，计算得到系统的动态性能指标。
四、实验数据分析1.单位阶跃响应分析单位阶跃响应是控制系统对单位阶跃函数的响应。
在实验中，通过记录系统在单位阶跃函数输入下的输出响应曲线，可以分析系统的动态性能。
当系统处于稳定状态时，输出将逐渐趋近于最终值，这一过程的时间长度被称为系统的调节时间。
调节时间越短，说明系统响应速度越快。
2.动态性能指标计算利用单位阶跃响应数据，可以计算控制系统的动态性能指标。
以下是一些常见的动态性能指标：（1）超调量（Overshoot）：输出响应的最大值与最终值的差值百分比。
超调量反映了系统的非线性程度，通常以百分比表示。
超调量越大，系统的非线性程度越高。
（2）调节时间（Settling Time）：从输入阶跃函数开始到输出达到最终值±5%（或±2%）所需的时间。
调节时间反映了系统达到稳态所需的时间。
调节时间越短，说明系统响应速度越快。
（3）峰值时间（Peak Time）：输出达到最大值所需的时间。
控制系统仿真实验报告书
一、实验目的1. 掌握控制系统仿真的基本原理和方法；2. 熟练运用MATLAB/Simulink软件进行控制系统建模与仿真；3. 分析控制系统性能，优化控制策略。
二、实验内容1. 建立控制系统模型2. 进行仿真实验3. 分析仿真结果4. 优化控制策略三、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 软件环境：MATLAB R2020a、Simulink3. 硬件环境：个人电脑一台四、实验过程1. 建立控制系统模型以一个典型的PID控制系统为例，建立其Simulink模型。
首先，创建一个新的Simulink模型，然后添加以下模块：（1）输入模块：添加一个阶跃信号源，表示系统的输入信号；（2）被控对象：添加一个传递函数模块，表示系统的被控对象；（3）控制器：添加一个PID控制器模块，表示系统的控制器；（4）输出模块：添加一个示波器模块，用于观察系统的输出信号。
2. 进行仿真实验（1）设置仿真参数：在仿真参数设置对话框中，设置仿真时间、步长等参数；（2）运行仿真：点击“开始仿真”按钮，运行仿真实验；（3）观察仿真结果：在示波器模块中，观察系统的输出信号，分析系统性能。
3. 分析仿真结果根据仿真结果，分析以下内容：（1）系统稳定性：通过观察系统的输出信号，判断系统是否稳定；（2）响应速度：分析系统对输入信号的响应速度，评估系统的快速性；（3）超调量：分析系统超调量，评估系统的平稳性；（4）调节时间：分析系统调节时间，评估系统的动态性能。
4. 优化控制策略根据仿真结果，对PID控制器的参数进行调整，以优化系统性能。
调整方法如下：（1）调整比例系数Kp：增大Kp，提高系统的快速性，但可能导致超调量增大；（2）调整积分系数Ki：增大Ki，提高系统的平稳性，但可能导致调节时间延长；（3）调整微分系数Kd：增大Kd，提高系统的快速性，但可能导致系统稳定性下降。
五、实验结果与分析1. 系统稳定性：经过仿真实验，发现该PID控制系统在调整参数后，具有良好的稳定性。
控制系统仿真实验报告
控制系统仿真实验报告(总19页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除昆明理工大学电力工程学院学生实验报告实验课程名控制系统仿真实验称：开课实验室：计算中心2082015 年 6月 16日实验一电路的建模与仿真一、实验目的1、了解KCL 、KVL 原理；2、掌握建立矩阵并编写M 文件；3、调试M 文件，验证KCL 、KVL ；4、掌握用simulink 模块搭建电路并且进行仿真。
二、实验内容电路如图1所示，该电路是一个分压电路，已知13R =Ω，27R =Ω，20S V V =。
试求恒压源的电流I 和电压1V 、2V 。
IVSV 1V 2图1三、列写电路方程（1）用欧姆定律求出电流和电压 （2）通过KCL 和KVL 求解电流和电压(1) I=Vs/(R1+R2)=2A , V1=I*R1 =6V , V2=I*R2=14V (2) I*R1+I*R2-Vs=0 , V1=I*R1 , V2=I*R2 ,=> I=2A,V1=6V,V2=14V.四、编写M 文件进行电路求解（1）M文件源程序（2）M文件求解结果（1）M文件源程序R1=3;R2=7;Vs=20;I=Vs/(R1+R2)V1=I*R1V2=Vs-V1（2）M文件求解结果I=2V1=6V2=14五、用simulink进行仿真建模（1）给出simulink下的电路建模图（2）给出simulink仿真的波形和数值电流I波形I=2A电压U1波形,U1=6V电压U2波形,U2=14V六、结果比较与分析根据M文件编程输入到matlab中，实验结果与理论计算结果一致。
实验二 数值算法编程实现一、实验目的掌握各种计算方法的基本原理，在计算机上利用MATLAB 完成算法程序的编写拉格朗日插值算法程序，利用编写的算法程序进行实例的运算。
二、实验说明1．给出拉格朗日插值法计算数据表；2．利用拉格朗日插值公式，编写编程算法流程，画出程序框图，作为下述编程的依据；3．根据MATLAB 软件特点和算法流程框图，利用MATLAB 软件进行上机编程； 4．调试和完善MATLAB 程序；5．由编写的程序根据实验要求得到实验计算的结果。
控制系统仿真实验报告(20200717013819)
控制系统仿真实验报告班级：测控 1402 班姓名：王玮学号： 14050402072018 年 01 月实验一经典的连续系统仿真建模方法一实验目的 :1了解和掌握利用仿真技术对控制系统进行分析的原理和步骤。
2掌握机理分析建模方法。
3深入理解阶常微分方程组数值积分解法的原理和程序结构，学习用Matlab 编写数值积分法仿真程序。
4掌握和理解四阶 Runge-Kutta法，加深理解仿真步长与算法稳定性的关系。
二实验内容 :1.编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对非线性模型（3）式进行仿真。
（1）将阀位u增大 10％和减小 10％，观察响应曲线的形状;（2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定？（3）利用 MATLAB 中的 ode45() 函数进行求解，比较与（1）中的仿真结果有何区别。
2.编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真（1）将阀位增大 10％和减小 10％，观察响应曲线的形状;（2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定？（4）阀位增大 10％和减小 10％，利用 MATLAB中的 ode45() 函数进行求解阶跃响应，比较与（ 1）中的仿真结果有何区别。
三程序代码 :龙格库塔 :%RK4文件clccloseH=[1.2,1.4]';u=0.55; h=1;TT=[];XX=[];for i=1:h:200k1=f(H,u);k2=f(H+h*k1/2,u);k3=f(H+h*k2/2,u);k4=f(H+h*k3,u);H=H+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;TT=[TT i];XX=[XX H];end;hold onplot(TT,XX(1,:),'--',TT,XX(2,:));xlabel('time')ylabel('H')gtext('H1')gtext('H2')hold on水箱模型 :function dH=f(H,u)k=0.2;u=0.5;Qd=0.15;A=2;a1=0.20412;a2=0.21129;dH=zeros(2,1);dH(1)=1/A*(k*u+Qd-a1*sqrt(H(1)));dH(2)=1/A*(a1*sqrt(H(1))-a2*sqrt(H(2)));2 编写四阶Runge_Kutta公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真：1阀值 u 对仿真结果的影响U=0.45;h=1;U=0.5;h=1;U=0.55;h=1;2 步长 h 对仿真结果的影响:U=0.5;h=5;U=0.5;h=20;U=0.5;h=39U=0.5;h=50由以上结果知 , 仿真步长越大 , 仿真结果越不稳定。
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实验四：控制系统的时域分析
一，实验目的
1、使用MATLAB 分析系统的稳定性及稳态性能。
2、分析系统的暂态性能并会计算暂态性能指标。
二、实验内容
1、已知系统的闭环传递函数为：384
40014020200)(234++++=S S G S S S ，分析系统的稳定性，并求该系统的单位阶跃响应曲线。
>> num=[200];
>> den=[1 20 140 400 384];
>> [z,p]=tf2zp(num ，den);
>> ii=find(real(p)>0);n1=length(ii);
>> if(n1>0)
disp('The Unstable Poles are:');
disp(p(ii));
else disp('System is Stable');end
System is Stable
>>step(num,den)
2、已知离散系统5.08.06.1)(22+--=Z Z
Z Z Z φ，求该系统的单位阶跃响应曲线。
>> num=[1.6 -1 0];
>> den=[1 -0.8 0.5];
>> dstep(num,den);
3、控制系统的状态空间模型为：
⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡.3.2.1x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--17120100010⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡x x x 321+u ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100 []⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=x x x y 321132，求该系统在[0，3]区间上的单位脉冲响应曲线。
>> A=[0 1 0;0 0 1;0 -12 -17];B=[0;0;1];C=[2 3 1];D=0;
>> impulse(A,B,C,D)
4、已知控制系统模型为：u x x x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣
⎡10961021.2.
1，[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=x x y 2111，求系统在y=sint 时的响应。
>> [u,t]=gensig('sin(t)',2*pi);
>> A=[0 1;-6 -9];B=[0;1];C=[1 1];D=0;
>> lsim(A,B,C,D,u,t) [y,x]=lsim(A,B,C,D,u,t);
5、典型二阶系统如下所示:
式中, n ω是自然频率(无阻尼振荡频率), ξ是阻尼系数.要求绘制出当ξ=0.5， n ω分别对2\4\6\8\10\12时系统的单位阶跃响应.
>> zeta=0.5;w=[2:2:12];figure(1);hold on
>> for wn=w;num=wn.^2;den=[1,2*zeta*wn,wn.^2];
>> step(num,den);end;title('Step Response');hold off
三、 思考题
随着n ω的逐渐增大，系统的响应速度怎样变化？并从控制原理的角度给出合理的解释。
222()2n n n G s s s ωξωω=++。