系统建模及仿真实验指导书(10级)
《机电系统建模与仿真》实验指导书(研究生)
《机电系统建模与仿真》实验指导书王红茹编写适用专业：机械工程________________________江苏科技大学机械工程学院2015年11月实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验学时：2 实验类型：综合实验要求：必修 一、实验目的1. 掌握运用MATLAB/Simulink 进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。
二、实验内容及原理主要针对工程领域常用的自动控制系统－－双闭环控制系统进行建模与仿真实验，并对其原理进行详细介绍。
采用PI 控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能力也较差。
双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器（内环）的给定输入，从而形成转速、电流双闭环控制。
这种双闭环调速系统是直流调速的一种典型形式。
以双闭环V-M 调速系统为例，介绍运用MATLAB/Simulink 进行双闭环控制系统动态分析的方法。
双闭环V-M 调速系统的结构如图1.1所示。
图中，直流电机参数：kW P nom 10=，V U nom 220=，A I nom 5.53=，min /1500r n nom =，电枢电阻Ω=31.0a R ，系统主电路总电阻Ω=4.0R ，电枢回路电磁时间常数s T a 0128.0=，机电时间常数s T m 042.0=；三相桥平均失控时间s T s 00167.0=，触发器放大系数30=s K ； 电流反馈系数A V K i /072.0=，电流环滤波时间常数s T oi 002.0=；转速反馈系数r V K t min/0067.0⋅=，转速环滤波时间常数s T on 01.0=。
①电流环、转速环选型原则。
电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，且突加控制作用时超调量越小越好。
电流环的控制对象是双惯性型的，两个惯性时间常数之比为1049.3002.000167.00128.0<=+=+oi s a T T T 。
系统建模与仿真课程教学大纲
《系统建模与仿真》课程教学大纲《System modeling and simulation》总学时：32 学分数：2.0 实验及上机学时：10（上机）编写人：董敬然一、课程的性质、目的和任务本课程为工业工程（面向制造业）专业的一门专业选修课程，对于未来的工程实践有较重要的帮助。
本课程的任务是使学生掌握系统建模的适用范围、常用方法和基本规律，掌握系统仿真的基本要义，掌握仿真软件（Matlab等）的基本使用方法，并能对系统进行相应的仿真。
为毕业设计及将来的工作打下基础。
二、课程教学的基本要求通过本课程的学习：1．掌握系统分类以及各自在认识上的特点；2．掌握白箱模型、灰箱模型和黑箱模型的判别，以及在系统建模方法上的区别；3．掌握系统建模的的适应性判别，包括对问题范围的划分、系统类型的判别等；4．了解相似系统建模的规律和特点；5．了解系统仿真的分类和工程上的实践方法；6．掌握简单模型数学仿真的基本原理；7．掌握建模与仿真的一般程序和步骤；8．掌握仿真软件（MATLAB）的基本计算方法和绘图方法，能对简单模型进行表达；9．掌握简单模型在MATLAB环境下的数学仿真；10．了解MATLAB界面GUI编程及其应用；11．了解MATLAB文程序设计基础；12. 了解图形化仿真（Simulink）的简单应用。
三课程的教学内容、重点和难点第一章系统建模概述系统的定义及其特点系统的分类系统建模的概念白箱模型、灰箱模型、黑箱模型的建模特点相似系统的建模第二章系统仿真基本原理系统仿真概述物理仿真与数学仿真离散事件系统仿真与连续系统仿真第三章MATLAB概述MATLAB历史与现状简介MATLAB的功能简介对MATLAB环境的基本认识第四章MATLAB基本运算MATLAB基本运算（一）数组与字符串MATLAB基本运算（二）数值运算MATLAB基本运算（三）符号运算第五章MATLAB图形处理MATLAB二维绘图MATLAB三维绘图第六章MATLAB的图形用户界面GUI第七章MATLAB程序设计简介第八章Simulink简介四、课程各个教学环节的要求1．本课程强调对MATLAB的熟悉和使用。
MATLAB与系统仿真实验手册2010
MATLAB与控制系统仿真实验指导书河北大学电子信息工程学院20010年9月目录实验一MATLAB基本操作与基本运算 (1)实验二M文件及数值积分仿真方法设计 (3)实验三MATLAB 的图形绘制 (4)实验四函数文件设计和控制系统模型的描述 (6)实验五控制系统的分析与设计 (7)实验六连续系统离散化仿真方法设计 (8)实验七SIMULINK 仿真 (9)实验八SIMULINK 应用进阶 (10)附录MATLAB常用函数 (12)实验一MATLAB基本操作与基本运算一、实验目的及要求：1．熟悉MATLAB6.5的开发环境；2．掌握MATLAB6.5的一些常用命令；3．掌握矩阵、变量、表达式的输入方法及各种基本运算。
二、实验内容：1.熟悉MATLAB6的开发环境：①MATLAB的各种窗口：命令窗口、命令历史窗口、启动平台窗口、工作空间窗口、当前路径窗口。
图1 MA TLAB界面窗口②路径的设置：建立自己的文件夹，加入到MA TLAB路径中，并保存。
设置当前路径，以方便文件管理。
③改变命令窗口数据的显示格式>> format short>> format long然后键入特殊变量：pi （圆周率），比较显示结果。
2.掌握MATLAB 常用命令>> who %列出工作空间中变量>> whos %列出工作空间中变量，同时包括变量详细信息 >>save test %将工作空间中变量存储到test.mat 文件中 >>load test %从test.mat 文件中读取变量到工作空间中 >>clear %清除工作空间中变量>>help 函数名 %对所选函数的功能、调用格式及相关函数给出说明 >>lookfor %查找具有某种功能的函数但却不知道该函数的准确名称如： lookfor Lyapunov 可列出与Lyapunov 有关的所有函数。
系统建模与仿真实验报告
系统建模与仿真实验报告系统建模与仿真实验报告1. 引言系统建模与仿真是一种重要的工程方法，可以帮助工程师们更好地理解和预测系统的行为。
本实验旨在通过系统建模与仿真的方法，对某个实际系统进行分析和优化。
2. 实验背景本实验选择了一个电梯系统作为研究对象。
电梯系统是现代建筑中必不可少的设备，其运行效率和安全性对于整个建筑物的使用体验至关重要。
通过系统建模与仿真，我们可以探索电梯系统的运行规律，并提出优化方案。
3. 系统建模为了对电梯系统进行建模，我们首先需要确定系统的各个组成部分及其相互关系。
电梯系统通常由电梯、楼层按钮、控制器等组成。
我们可以将电梯系统抽象为一个状态机模型，其中电梯的状态包括运行、停止、开门、关门等，楼层按钮的状态则表示是否有人按下。
4. 仿真实验在建立了电梯系统的模型之后，我们可以通过仿真实验来模拟系统的运行过程。
通过设定不同的参数和初始条件，我们可以观察到系统在不同情况下的行为。
例如，我们可以模拟电梯在高峰期和低峰期的运行情况，并比较它们的效率差异。
5. 仿真结果分析通过对仿真实验结果的分析，我们可以得出一些有价值的结论。
例如，我们可以观察到电梯在高峰期的运行效率较低，这可能是由于大量乘客同时使用电梯导致的。
为了提高电梯系统的运行效率，我们可以考虑增加电梯的数量或者改变乘客的行为规则。
6. 优化方案基于对仿真结果的分析，我们可以提出一些优化方案来改进电梯系统的性能。
例如，我们可以建议在高峰期增加电梯的数量，以减少乘客等待时间。
另外，我们还可以建议在电梯内设置更多的信息显示，以便乘客更好地了解电梯的运行状态。
7. 结论通过本次实验，我们深入了解了系统建模与仿真的方法，并应用于电梯系统的分析和优化。
系统建模与仿真是一种非常有用的工程方法，可以帮助我们更好地理解和改进各种复杂系统。
在未来的工作中，我们可以进一步研究和优化电梯系统，并将系统建模与仿真应用于更多的实际问题中。
8. 致谢在本次实验中，我们受益于老师和同学们的帮助与支持，在此表示诚挚的感谢。
《系统建模与仿真实验》
安徽工业大学
《系统建模与仿真实验》
结课作业
作业题目：多产品生产系统建模与仿真
学院：
专业：
班级：
学号：
姓名：
2016年11月1日
目录
1.问题背景 (3)
1.1背景 (3)
1.2相关数据 (3)
1.3要求 (3)
2.建模仿真步骤 (4)
2.1模型建立 (4)
2.2参数设置 (4)
2.3模型运行 (6)
2.4系统问题 (7)
3.改善方案及效果 (7)
1.问题背景
1.1背景：一个工厂有5个不同的车间（普通车间，钻床车间，铣床车间，磨床车间，检测车间），加工3种类型产品。
每种产品都在5个不同的车间完成5道工序。
1.2相关数据：
1.3要求：
（1）建立上述多产品生产系统的仿真模型；
（2）查看系统运行情况报告；
（3）如存在瓶颈，请给出改善方案。
2.建模仿真步骤2.1模型建立
2.2参数设置
（1）发生器设置
运行结果
（2）处理器设置
2.3模型运行
2.4系统问题
由上图可知在暂存区1和暂存区5都有产品堆积现象。
堆积的下一工序就是瓶颈工序。
3.改善方案及效果
对生产产品工序分析，应运并行工程原理进行相似工艺合并，可以适当加大产品周转占用量，同时根据自身生产能力，制定相应的批量。
系统建模与仿真实验
系统仿真与建模分析实验实验一生态平衡建模实验系统描述：在一个封闭的海岛上，设有两个群体：1. 狐狸（FOXES）;2.啮齿动物（RODENTS情况是：1）狐狸出生后，需要八个月成长为成年狐狸，幼年狐狸每只（每月）要吃10 只啮齿动物，若没有吃的就饿死，幼年狐狸的出生率为4，成年狐狸死亡因素有两个，一是每只狐狸每月要吃60 只啮齿动物，若没有吃的就要饿死，二是从仿真时间算起，十年之后，每月要被猎人打死4 只。
2）啮齿动物RODY出生后，三个月即可长成为成年啮齿动物，啮齿动物的出生率为0.8 ，如果幼年啮齿动物的父母死亡，则以短缺扶养和保护而死亡。
成年啮齿动物每月的死亡率有两个原因决定：一个是被狐狸吃掉，一个原因是总数超过100000（十万）只，则以水草不足而饿死。
一、实验目的：通过此实验了解系统动力学的仿真方法，学会用所学的建模理论来对实际问题进行建模，并对实际问题进行分析。
对此生态平衡系统进行仿真实验，改变不同的控制参数，分析实验的结果，得出系统保持生态平衡的条件，为决策者决策提供理论分析基础。
二．实验原理系统动力学（System Dynamics）是美国麻省理工学院J.W福雷斯特（JayW Forrester教授创立的一门新兴学科。
它按照自身独特的方法论建立系统的动态模型，并借助于计算机进行仿真，以处理行为随时间变化的系统的问题。
系统动力学首先强调系统性的观点，以及联系、发展、运动的观点，是研究复杂系统，诸如:社会、经济、环境、人口、生态平衡、产业发展等的有效工具。
系统动力学的研究对象主要是社会经济系统。
社会经济系统的范围十分广泛，凡是涉及到人类的社会活动和经济活动的系统都属于社会系统。
诸如本文要研究的人口系统、资源系统、环境系统、经济系统、科技系统、能源系统，都属于社会经济系统。
系统动力学的基础是通过实验方法认识系统的行为，为管理决策者提供决策的依据。
系统动力学仿真的基本步骤是：（1）明确建模目的一般来说，系统动力学对社会系统进行仿真实验的主要目的是认识和预测系统的结构和设计最佳参数，为制定合理的政策提供依据。
哈工大系统建模与仿真基础实验手册
《系统建模与仿真基础》实验手册目录实验一基于M 文件的建模与仿真 (1)一、实验目的 (1)二、实验原理 (1)三、实验内容 (4)四、实验步骤 (6)五、实验报告 (6)实验二基于Simulink 文件的建模与仿真 (7)一、实验目的 (7)二、实验原理 (7)三、实验内容 (8)四、实验步骤 (10)五、实验报告 (10)实验一基于M 文件的建模与仿真一、实验目的熟悉以下内容：1) 矩阵及其相关运算2) 控制语句及其应用3) 二维绘图函数及其应用4) 插值函数及其应用5) 数值积分程序及其应用6) 基于m 文件进行系统建模与仿真分析二、实验原理1、矩阵及其相关运算如果一个矩阵A 有n 行、m 列元素，则称A 矩阵为n ⨯ m 矩阵；若n = m ，则矩阵A 又称为方阵。
MATLAB 语言中定义了下面各种矩阵的基本代数运算：1) 矩阵转置A'2) 加减法运算假设在MATLAB 工作环境下有两个矩阵A 和B，则可以由C=A + B 和C=A - B 命令执行矩阵加减法。
若A 和B 矩阵的维数相同，它会自动地将A 和B 矩阵的相应元素相加减，从而得出正确的结果，并赋给C 变量。
若二者之一为标量，则应该将其遍加(减) 于另一个矩阵。
3) 矩阵乘法假设有两个矩阵A 和S，其中A 的列数与S 矩阵的行数相等，或其一为标量，则称B 矩阵是可乘的，或称A 和B 矩阵的维数是相容的。
MATLAB 语言中两个矩阵的乘法由C=A*B 直接求出，且这里并不需要指定A 和B 矩阵的维数。
如果A 和B 矩阵的维数相容，则可以准确无误地获得乘积矩阵C;如果二者的维数不相容，则将给出错误信息，通知用户两个矩阵是不可乘的。
4) 矩阵行列式det（A）5) 矩阵特征根eig（A）6) 矩阵的左除MATLAB 中用“\”运算符号表示两个矩阵的左除，A\B 为方程AX=B 的解X，若A 为非奇异方阵，则X =A-1B，如果A 矩阵不是方阵，也可以求出X =A\B，这时将使用最小二乘解法来求取AX=B 中的X 矩阵。
《机电系统建模与仿真》实验指导书
《机电系统建模与仿真》实验指导书江苏科技大学部门文件设备发?2006?08号关于规范课程实验指导书、学生实验报告的格式与基本内容要求的说明为提高实验教学运行质量，进一步加强综合性、设计性实验内涵建设，加强学生综合运用知识、创新精神与实践能力的培养，现对课程实验指导书和学生实验报告等实验教学文件提出如下规范要求，请各学院结合自身的实际情况，认真加以整改。
1．课程实验指导书以课程为单位，使用十六开纸和统一格式封面，并装订成册(封面格式见附件1)。
2．课程实验指导书第一页为封面，要求见附件1；第二页为前言，要求见附件2；第三页为目录；第四页开始为实验项目指导书，要求见附件3。
3．学生实验报告可以电子和书面两种形式提交，其中书面报告原则上使用现行“实验报告簿”(校园内有售)，内容要求见附件4，电子报告指导教师参照书面报告要求明确。
4．前言、实验项目指导书、学生实验报告的格式与基本内容要求(附件2、附件3和附件4)仅供参考，指导教师应根据各课程 1 和实验项目的具体情况，内容和格式上可以加以调整，突出“个性”。
5．原则上“镇江船舶学院“时期编印的指导书必须全面修订，即使内容完全不变的课程，形式上也要按本要求重新编印。
6、对于“华东船舶工业学院”时期编印且形式上符合上述要求的指导书，若其中个别实验项目不适应内涵要求需要修改、目前库存量较大的，其中修改的项目指导书以活页形式补充，不要求重新编印。
附：1．课程实验指导书封面格式2．课程实验指导书前言内容要求3．具体项目指导书格式与基本内容要求4．学生实验报告基本内容要求设备与实验管理处二○○六年五月九日 2 《机电系统建模与仿真》实验指导书王红茹编写适用专业：机械电子工程____________ ____________ 2011年11月江苏科技大学机械工程学院 3 前言《机电系统建模与仿真实验指导书》是为了配合《机电系统建模与仿真》课程教学、促进理论与实践相结合、提高教学质量而编写的。
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《系统建模与仿真实验设计与指导》
机电工程学院电气工程及自动化实验室
2013年3月
目录
基础实验（一）控制系统建模及稳定性分析
基础实验（二）控制系统的数字仿真
基础实验（三）控制系统的时域分析
基础实验（四）控制系统的频域分析
综合实验（五）控制系统的设计
实验说明：
通过本课程的实验教学，学生应熟练掌握MATLAB语言的程序设计与使用。
掌握MATLAB软件实现控制系统数学模型的建立、变换和稳定性分析；控制系统的数字仿真；控制系统的时域、频域分析；控制系统设计。
通过实验对所学的专业理论知识有更深入的理解和认识，从而具备解决自动化及相关专业领域中实际系统分析、设计与综合等问题的能力。
实验报告要求给出具体的MATLAB程序和简要的实验总结。
控制系统建模及稳定性分析
一、 实验目的
1. 掌握Matlab 中系统模型描述相关命令函数及使用；
2. 掌握系统模型变换；
3. 掌握Matlab 中不同方法的系统稳定性分析。
二、 实验内容
1. 系统数学模型建立与转换
2. 控制系统稳定性分析
三、 实验步骤
1. 系统数学模型建立
2. 系统数学模型转换
3. 控制系统稳定性分析
给定SISO 系统输入为“flow”，输出为“Temp”，传递函数为
使用MATLAB 表示该传递函数
()
22321.32 2.5e ()0.5 1.21
s s s G s s s s -++=
+++ 将状态空间模型 转换为传递函数和零 极点增益模型。
[]0100001052011100⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦=x x u y x R ) 已知控制系统结构图如图所示，
求取系统的闭环极点，并判别闭环系统的稳定性。
控制系统数字仿真一、实验目的
掌握Matlab中典型闭环系统的数字仿真；
二、实验内容
典型闭环系统的数字仿真MATLAB实现
三、实验步骤
求如图所示系统的阶跃响应y(t)的数值解。
控制系统的时域分析
一、 实验目的
熟悉MATLAB 环境下求取控制系统时间响应，计算性能指标量，分析系统的动态和稳态性能。
二、 实验内容
1．利用MATLAB 求取系统的时间响应 2．系统的稳态性能分析（稳态误差计算）
3．系统的过渡过程分析（包括动态性能指标的计算）
三、 实验步骤
3、已知一个单位负反馈系统开环零极点增益模型为(21)
()3(2)(1)
s G s s s s +=+-，绘制系统
单位斜坡响应曲线并求稳态误差。
2、已知控制系统闭环传递函数 ，绘制控制系统阶跃响应曲线并计算性能指标（要求用程序实现）
()u t ()y t 25
()(4)
G s s s =+1()10.2sin(4)u t t =+2()0.30.3sin(5)
u t t t =+1、单位反馈控制系统 为其输入， 为输出, 系统的开环传递函数为
求系统的闭环传递函数。
在同一个坐标系中绘制输入信号为 和
时，系统的时域响应曲线。
2324.828.824()92624
s s s s s s Φ++=+++
控制系统的频域分析
一、 实验目的
1. 熟悉Matlab 环境下的控制系统频域曲线绘制；
2. 熟悉控制系统频域性能指标计算及性能分析。
二、 实验内容
1．利用MATLAB 求取频率响应
2．控制系统Bode 图绘制及相关性能指标计算 3．奈奎斯特图与尼柯尔斯图绘制及性能分析
三、 实验步骤
1、如图所示系统，利用MATLAB 求取系统的频率响应。
其中输入信号为
()2sin 24cos(3)6
r t t t π
=++
2、已知系统传递函数 绘制其Bode 图,并求系统频域性能指标。
3、系统开环传递函数
绘制对数幅相特性曲线，并加画Nichols 图线和坐标线。
1
()
(1)(2)
G s s s s =++()G s =
控制系统的设计
一、 实验目的
熟悉Matlab 环境下控制系统的校正与综合。
二、 实验内容
1．基于Bode 图的控制系统滞后/超前校正 2．基于Z-N 的PID 控制器设计
三、 实验步骤
2．已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为
试设计系统的滞后校正器
，使之满足： (1) 在斜坡信号r(t)=v 0t 作用下，系统的稳态误差ess ≤0.02v 0； (2) 校正后系统的相位裕度Pm 范围为：43°～50°； (3) 校正后系统的剪切频率 ≥3.6rad/s 。
3．已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为
试设计系统的滞后-超前校正器 ，使之满足。
(1) 在单位斜坡信号r(t)=t 作用下，系统的速度误差系数Kv=10s -1； (2) 校正后系统的相位裕量Pm 范围为：50°～60°； (3) 校正后系统的剪切频率 ≥1rad/s 。
4．已知受控对象为一个带延迟的惯性环节，其传递函数为
1. 已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为
()(21)(0.0021)
K
G s s s s =
++
试设计系统的超前校正器 c ()G s ，使之满足：
(1) 在斜坡信号r(t)=v 0t 作用下，系统的稳态误差ess ≤0.001v 0； (2) 校正后系统的相位裕量Pm 范围为：43°～50°。
()(0.21)(0.011)K
G s s s s =++c ()G s c2ω()(0.81)(0.61)
K G s s s s =
++c ()G s c2ω102()301s
G s e s -=+
试用Ziegler-Nichols 经验整定公式，分别计算P 、PI 、PID 控制器的参数，并进行阶跃响应仿真。
解：由该系统传递函数可知，K=2，T=30，τ=10。
可采用Ziegler-Nichols 经验整定公式中阶跃响应整定法。
PID 控制器采用式 表示的模型，计算P 、PI 、PID 控制器参数和
绘制阶跃响应曲线。
d c p d
i 1
()(1)1T s G s K T T s
s N
=+++。