东北林业大学 系统建模与仿真实验指导书
系统建模与仿真实验指导书(2)
实验一例1-3、设置传递函数22)13()5(6)(+++=s s s s G ，时间延迟常数4=τ 方式1：set(G,'ioDelay',4) %为系统的ioDelay 属性设定值G %显示传递函数解：该传递函数模型可以通过下面的语句输入到MATLAB 工作空间为： >> num=6*[1,5];den=conv([1,3,1],[1,3,1]); G=tf(num,den); set(G,'ioDelay',4) G例1-4、已知传递函数22)13()5(6)(+++=s s s s G，提取系统的分子和分母多项式（实验） 解：提取系统的分子和分母多项式程序为： >> num=6*[1,5];den=conv([1,3,1],[1,3,1]); G=tf(num,den)[num den]=tfdata(G,'v')例1-5 某系统的零极点模型)22)(22)(2)(1()5(6)(2j s j s s s s s G -++++++= >> s=zpk('s')G=6*(s+5)^2/((s+1)*(s+2)*(s+2+2)*(s+2-2))例1-7已知系统传递函数)2)(36(114222s s s s s s G +++++=，求零极点及增益，并绘制系统零极点分布图。
（实验）（1）零极点及增益： 〉〉num=[1,4,11]; den=conv([1,6,3],[1,2,0]);G=tf(num,den) [z,p,k]=zpkdata(G,'V')（2）系统零极点分布图：（3）〉〉num=[1,4,11];den=conv([1,6,3],[1,2,0]); G=tf(num,den) pzmap(G)例1-11 给定零极点模型： )5.1)(23())7)(2(8.6)(+±+++=s j s s s s s G用MATLAB 命令得出其等效的零极点传递函数模型。
系统工程实验指导书
实验一简单库存模型一、实验目的1、熟悉STELLA软件的基本操作2、加深对系统动力学主要要素和基本思想的理解3、学会利用STELLA软件建立一阶反馈系统模型、仿真运行及结果分析二、实验要求1、简单库存模型各变量及其因果关系图如下图：期望库存Y2、各变量之间的关系可用如下方程表示：L I•K=I•J+DT*R1•JKN I=1000R R1•KL=DK/ZA D•K=Y-I•KC Z=5C Y=60003、要求利用STELLA建立上述库存模型的流图，仿真计算并分析结果三、实验步骤1、确定水准变量、速率变量、辅助变量、常量及水准变量初值；2、熟悉STELLA软件操作指导，建立模型的四个基本构造块为：栈（stock）、流（flow）、转换器(converter) 、连接器（connector），设置仿真参数（采用默认值）；2、根据因果关系图连接流；3、确定水准方程、速率方程、辅助方程、赋初值方程和常量方程；4、建立模型仿真结果分析所需的数据模块；5、仿真及结果分析实验二二阶库存系统一、实验目的1、加深对系统动力学主要要素和基本思想的理解2、学会利用STELLA软件建立二阶反馈系统模型、仿真运行及结果分析3、分析二阶系统的特点二、实验要求12、各变量之间的关系可用如下方程表示：L G•K=G•J+DT*(R1•KL-R2•JK)L I•K=I•J+DT•R2•JKR R1•KL=D/ZR R2•KL=G•/WR R3•KL=200A D=Y-I•KC Y=6000C W=10,Z=5C I=1000 ，G=80003、要求利用STELLA建立上述库存模型的流图，仿真计算并分析结果三、实验步骤1、确定水准变量、速率变量、辅助变量、常量及水准变量初值；2、建立模型的四个基本构造块为：栈（stock）、流（flow）、转换器(converter) 、连接器（connector），设置仿真参数（采用默认值）；2、根据因果关系图连接流；3、确定水准方程、速率方程、辅助方程、赋初值方程和常量方程；4、建立模型仿真结果分析所需的数据模块；5、仿真及结果分析四、练习改变各参数（Z、W及水准变量初始值）的值，观察水准变量和速率变量变化情况，分析参数对其仿真结果的影响实验三高校发展规模问题一、实验目的1、学会根据具体问题建立模型的因果关系图；2、应用STELLA软件建立流图统模型、仿真运行及结果分析；3、能够根据数据分析结果解释具体模型。
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。
《系统仿真与MATLAB语言》实验指导书
系统仿真与MATLAB语言实验指导书韶关学院2012级自动化专业系统仿真与MATLAB语言实验说明1、所有同学必须参加实验课，按照排定顺序上机。
2、每次上机请登记在实验室记录本上，固定机位，一人一机。
3、本课程7次上机实验（其中前6次实验要提交纸质实验报告，第7次实验提交电子版实验报告）。
4、在机房内务必保持安静，不得大声喧哗，不得从事与实验无关事项，如打游戏、看电影等。
5、写好预习报告：针对实验内容要求用自己的语言简要的写明实验目的、实验原理，并针对实验内容预先做好程序的编写。
所有实验项目必须提前编写程序！！！不写预习报告不得参加实验！！！6、数据记录记录实验的原始数据，实验期间当场提交。
拒绝抄袭。
实验过程中要能回答我的提问。
7、实验内容总结所做实验的内容回答有关思考题2014、9实验一 MATLAB 语言工作环境和基本操作一、实验目的：熟悉MATLAB 的工作环境，学会使用MATLAB 进行一些简单的运算。
二、实验内容：MATLAB 的启动和退出，熟悉MATLAB 的桌面（Desktop ），包括菜单（Menu ）、工具条 （Toolbar ）、命令窗口(Command Window)、历史命令窗口、工作空间(Workspace)等；完成一些基本的矩阵操作；学习使用在线帮助系统。
三、实验步骤：1、启动MATLAB ，熟悉MATLAB 的桌面。
2、在命令窗口执行命令完成以下运算，观察workspace 的变化，记录运算结果。
（1）（365-52⨯2-70）÷3（2）area=pi*2.5^2（3）已知x=3，y=4，在MATLAB 中求z ：()232y x y x z -= (4)输入 C=1:2:20，则 C （i ）表示什么？其中 i=1,2,3, (10)（5）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指导书ⅠARENA二维仿真建模实验
系统建模与仿真实验指导书ⅠARENA二维仿真建模实验一、实验目的：1简单流水线建模实验掌握ARENA二维仿真软件的基本操作，掌握ARRIVE、DEPART、SEVER、INSPECT、SIMULATION等模块的应用与连接，学会采用该软件建立一条简单的生产流水线，并进行逻辑模块的参数设置和物理模块的界面设计，建成的仿真系统能运行并返回需要的统计数据。
2生产制造过程仿真建模实验借助工业工程综合实验——装配线设计实验的成果——装配线的结构与布局以及各主要工位的操作数据，通过ARENA软件进行仿真建模，比较系统运行的结果，对综合实验的设计方案进行验证实验，调整参数，寻求优化方案，进行优化设计实验。
二、实验步骤主要解决的四个问题：1）模型的建立,确定该系统需要的模块类型和数量：输入(Arrive)，输出(Depart)，加工操作(Sever)，检验操作(Inspect)以及他们的先后顺序和连接关系2）参数设置：包括模块内参数设置和系统参数设置3）统计分析功能的建立：成品及废品平均流程时间、成品率、废品率以及其方差设置和实现，并能对此进行分析和评价，重新调整参数以实现系统优化；4)界面优化，利用系统工具或者画图工具，对仿真运行界面进行优化，体现更清晰的运动状态和物流路径，模拟加工过程的实现附：上机操作指导软件工具介绍一、Arena 软件工具的特点Arena是一个Microsoft Windows下的工具，所以它的基本界面你应该早已熟悉,但是由于Arena仿真软件是属于专业软件，并不常见，国内对该软件的操作方面的资料甚少，而且还都是外文版，所以有必要对Arena的操作界面以及相关的仿真建模操作和模块进行介绍。
（一）、操作界面图 3-1 Arena的界面1 File 菜单在这个菜单里，你可以新建Arena模型文件，打开现有模型，关闭窗口，存储模型或创建一个只许观看的模型，你也可以引进CAD图形，将AUTOCAD作为Arena 的支持工具，而在一些情况下，活动元素将允许你使用现有的详尽的机器设备的图形。
(完整版)系统建模与仿真实验报告
实验1 Witness仿真软件认识一、实验目的熟悉Witness 的启动；熟悉Witness2006用户界面；熟悉Witness 建模元素；熟悉Witness 建模与仿真过程。
二、实验内容1、运行witness软件，了解软件界面及组成；2、以一个简单流水线实例进行操作。
小部件（widget）要经过称重、冲洗、加工和检测等操作。
执行完每一步操作后小部件通过充当运输工具和缓存器的传送带（conveyer）传送至下一个操作单元。
小部件在经过最后一道工序“检测”以后，脱离本模型系统。
三、实验步骤仿真实例操作:模型元素说明：widget 为加工的小部件名称；weigh、wash、produce、inspect 为四种加工机器，每种机器只有一台；C1、C2、C3 为三条输送链；ship 是系统提供的特殊区域，表示本仿真系统之外的某个地方；操作步骤：1：将所需元素布置在界面：2：更改各元素名称：如;3:编辑各个元素的输入输出规则：4:运行一周（5 天*8 小时*60 分钟=2400 分钟），得到统计结果。
5:仿真结果及分析：Widget：各机器工作状态统计表：分析：第一台机器效率最高位100%，第二台机器效率次之为79%，第三台和第四台机器效率低下，且空闲时间较多，可考虑加快传送带C2、C3的传送速度以及提高第二台机器的工作效率，以此来提高第三台和第四台机器的工作效率。
6：实验小结：通过本次实验，我对Witness的操作界面及基本操作有了一个初步的掌握，同学会了对于一个简单的流水线生产线进行建模仿真，总体而言，实验非常成功。
实验2 单品种流水线生产计划设计一、实验目的1.理解系统元素route的用法。
2.了解优化器optimization的用法。
3.了解单品种流水线生产计划的设计。
4.找出高生产效率、低临时库存的方案。
二、实验内容某一个车间有5台不同机器，加工一种产品。
该种产品都要求完成7道工序，而每道工序必须在指定的机器上按照事先规定好的工艺顺序进行。
东北林业大学 系统建模与仿真实验指导书
《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 P872. 系统数学模型转换 P993. 控制系统稳定性分析 P170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 1.21s 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。
P135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。
MATLAB与系统仿真实验手册
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2006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1MATLAB界面窗口②路径的设置：建立自己的文件夹，加入到MATLAB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。
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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 P87
2. 系统数学模型转换 P99
3. 控制系统稳定性分析 P170
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。
P135
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 1 p176，2.P175 3.P
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。
Text 标注
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. 184 2.P184 3.P187
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 1.P208 2.P214 3.P219 4.P228
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
=+++。