哈工大 计算机仿真技术实验报告 仿真实验四基于Simulink控制系统仿真与综合设计
计算机仿真实验-基于Simulink的伺服系统
实验八 基于Simulink 的伺服系统仿真一． 实验目的1) 熟悉Simulink 的工作环境及其SimPowerSystems 功能模块库；2) 掌握Simulink 的电力电子电路系统建模和仿真方法；3) 掌握Simulink 下数学模型的仿真方法；4）掌握PID 控制对系统输出特性的影响。
二．实验内容直流电机单闭环调速系统组成如图8.1所示。
图8.1中，r 为给定输入量，y 为系统速度输出量，e 为系统偏差控制量。
控制器选用PI 调节控制方式，功率放大器选用PWM 功率放大器，电机选用他励直流电机。
系统参数见表8-1。
给定速度100 /r rad s =，负载由空载到1s 时跳变到20N 。
调节不同的PI 控制器参数，观测电机速度波形、转矩波形的变化规律。
PI 控制器参数取值为a) Ki=100, Kp=5; b) Ki=2, Kp=1。
控制器功率放大器伺服电机r ye +-图8.1 直流电机单闭环调速系统组成三．实验步骤1. 建立电路仿真系统在Simulink仿真环境中打开Simulink库，找出相应的单元部件模型，构造图所示的仿真模型。
其中用到了直流电机模块。
直流电机模块有1个输入端子、1个输出端子和4个电气连接端子。
电气连接端子与直流电机励磁绕组相连。
A+和A-与电机电枢绕组相连。
输入端子是电机负载转矩的输入端。
输入端子（m）输出一系列的电机内部信号，由4路信号组成。
通过“信号数据流模块库”中的“信号分离”模块，即Demux模块可以将输出端子m 中的各路信号分离出来。
经过整流桥变换向电机提供直流电压。
经励磁回路，输出PWM波形。
同时，电机的转速作为反馈信号反馈到输入端。
对于三相电压源，选择频率为50Hz，幅值为2203。
按图连接好线路，设置参数，建立其仿真模型，并对各个单元部件模型的参数进行修改，如图所示。
2.进行仿真波形输出示波器的输出波形如下，依次为电机转速，电枢电流，场电流，电磁转矩（1）Ki=100, Kp=5（2）Ki=2, Kp=1四、实验结论由上图可见，此系统为脉冲比较系统，仿真模型中利用负反馈，经PI 控制输出误差给脉波发生端。
计算机仿真实验-基于Simulink的简单电力系统仿真
实验七 基于Simulink 的简单电力系统仿真实验一． 实验目的1) 熟悉Simulink 的工作环境及SimPowerSystems 功能模块库； 2) 掌握Simulink 的的powergui 模块的应用；3) 掌握发电机的工作原理及稳态电力系统的计算方法； 4）掌握开关电源的工作原理及其工作特点； 5）掌握PID 控制对系统输出特性的影响。
二．实验内容与要求单机无穷大电力系统如图7-1所示。
平衡节点电压044030 V V =∠︒ 。
负荷功率10L P kW =。
线路参数：电阻1l R =Ω；电感0.01l L H =。
发电机额定参数：额定功率100n P kW =；额定电压440 3 n V V =；额定励磁电流70 fn i A =；额定频率50n f Hz =。
发电机定子侧参数：0.26s R =Ω，1 1.14 L mH =，13.7 md L mH =，11 mq L mH =。
发电机转子侧参数：0.13f R =Ω，1 2.1 fd L mH =。
发电机阻尼绕组参数：0.0224kd R =Ω，1 1.4 kd L mH =，10.02kq R =Ω，11 1 kq L mH =。
发电机转动惯量和极对数分别为224.9 J kgm =和2p =。
发电机输出功率050 e P kW =时，系统运行达到稳态状态。
在发电机输出电磁功率分别为170 e P kW =和2100 e P kW =时，分析发电机、平衡节点电源和负载的电流、电磁功率变化曲线，以及发电机转速和功率角的变化曲线。
G 发电机节点V负荷lR l LLP图 7.1 单机无穷大系统结构图输电线路三．实验步骤1. 建立系统仿真模型同步电机模块有2个输入端子、1个输出端子和3个电气连接端子。
模块的第1个输入端子（Pm）为电机的机械功率。
当机械功率为正时，表示同步电机运行方式为发电机模式；当机械功率为负时，表示同步电机运行方式为电动机模式。
自控仿真实验报告
一、实验目的1. 熟悉MATLAB/Simulink仿真软件的基本操作。
2. 学习控制系统模型的建立与仿真方法。
3. 通过仿真分析，验证理论知识，加深对自动控制原理的理解。
4. 掌握控制系统性能指标的计算方法。
二、实验内容本次实验主要分为两个部分：线性连续控制系统仿真和非线性环节控制系统仿真。
1. 线性连续控制系统仿真（1）系统模型建立根据题目要求，我们建立了两个线性连续控制系统的模型。
第一个系统为典型的二阶系统，其开环传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)} \]第二个系统为具有迟滞环节的系统，其开环传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)(s+3)} \]（2）仿真与分析（a）阶跃响应仿真我们对两个系统分别进行了阶跃响应仿真，并记录了仿真结果。
（b）频率响应仿真我们对两个系统分别进行了频率响应仿真，并记录了仿真结果。
（3）性能指标计算根据仿真结果，我们计算了两个系统的性能指标，包括上升时间、超调量、调节时间等。
2. 非线性环节控制系统仿真（1）系统模型建立根据题目要求，我们建立了一个具有饱和死区特性的非线性环节控制系统模型。
其传递函数为：\[ W_k(s) = \begin{cases}1 & |s| < 1 \\0 & |s| \geq 1\end{cases} \]（2）仿真与分析（a）阶跃响应仿真我们对非线性环节控制系统进行了阶跃响应仿真，并记录了仿真结果。
（b）相轨迹曲线绘制根据仿真结果，我们绘制了四条相轨迹曲线，以分析非线性环节对系统性能的影响。
三、实验结果与分析1. 线性连续控制系统仿真（a）阶跃响应仿真结果表明，两个系统的性能指标均满足设计要求。
（b）频率响应仿真结果表明，两个系统的幅频特性和相频特性均符合预期。
2. 非线性环节控制系统仿真（a）阶跃响应仿真结果表明，非线性环节对系统的性能产生了一定的影响，导致系统响应时间延长。
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。
基于Simulink的QPSK系统仿真实验报告
QPSK 的系统仿真一、实验目的：1.了解QPSK 工作原理。
2.了解不同信道条件下对QPSK 信号带来的影响3.通过仿真实现QPSK ，并能通过数据及图形来分析不同信道条件下的系统性能。
4.学会使用matlab 仿真软件。
二、实验设计要求及内容：（一）基本原理及系统结构QPSK 与二进制PSK 一样，传输信号包含的信息都存在于相位中。
的别的载波相位取四个等间隔值之一，如л/4, 3л/4,5л/4,和7л/4。
相应的，可将发射信号定义为(21)/4]ft i ππ+- 0≤t ≤T Si （t ） ＝0。
， 其他其中，i ＝1，2，2，4；E 为发射信号的每个符号的能量，T 为符号持续时间，载波频率f 等于nc/T ，nc 为固定整数。
每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组。
例如，可用前述的一组相位值来表示格雷码的一组二位组：10，00，01，11。
下面介绍QPSK 信号的产生和检测。
如果a 为典型的QPSK 发射机框图。
输入的二进制数据序列首先被不归零（NRZ ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号1和0接着，该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇数位偶数位组成的彼此独立的二进制波形，这两个二进制波形分别用a1（t ），和a2（t ）表示。
容易注意到，在任何一信号时间间隔内a1（t ），和a2（t ）的幅度恰好分别等于Si1和 Si2，即由发送的二位组决定。
这两个二进制波形a1（t ），和a2（t ）被用来调制一对正交载波或者说正交基本函数：φ1（t ）o s (2)c f t π，φ2（t ）＝i n (2)c f t π。
这样就得到一对二进制PSK 信号。
φ1（t ）和φ2（t ）的正交性使这两个信号可以被独立地检测。
最后，将这两个二进制PSK 信号相加，从而得期望的QPSK 。
φ1（t )c f t πφ2（t )c f t π 图a如图b 所示，QPSK 接收机由一对共输入地相关器组成。
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告一、实验目的本实验旨在通过MATLAB软件进行控制系统的仿真，并通过仿真结果分析控制系统的性能。
二、实验器材1.计算机2.MATLAB软件三、实验内容1.搭建控制系统模型在MATLAB软件中，通过使用控制系统工具箱，我们可以搭建不同类型的控制系统模型。
本实验中我们选择了一个简单的比例控制系统模型。
2.设定输入信号我们需要为控制系统提供输入信号进行仿真。
在MATLAB中，我们可以使用信号工具箱来产生不同类型的信号。
本实验中，我们选择了一个阶跃信号作为输入信号。
3.运行仿真通过设置模型参数、输入信号以及仿真时间等相关参数后，我们可以运行仿真。
MATLAB会根据系统模型和输入信号产生输出信号，并显示在仿真界面上。
4.分析控制系统性能根据仿真结果，我们可以对控制系统的性能进行分析。
常见的性能指标包括系统的稳态误差、超调量、响应时间等。
四、实验步骤1. 打开MATLAB软件，并在命令窗口中输入“controlSystemDesigner”命令，打开控制系统工具箱。
2.在控制系统工具箱中选择比例控制器模型，并设置相应的增益参数。
3.在信号工具箱中选择阶跃信号，并设置相应的幅值和起始时间。
4.在仿真界面中设置仿真时间，并点击运行按钮，开始仿真。
5.根据仿真结果，分析控制系统的性能指标，并记录下相应的数值，并根据数值进行分析和讨论。
五、实验结果与分析根据运行仿真获得的结果，我们可以得到控制系统的输出信号曲线。
通过观察输出信号的稳态值、超调量、响应时间等性能指标，我们可以对控制系统的性能进行分析和评价。
六、实验总结通过本次实验，我们学习了如何使用MATLAB软件进行控制系统仿真，并提取控制系统的性能指标。
通过实验，我们可以更加直观地理解控制系统的工作原理，为控制系统设计和分析提供了重要的工具和思路。
七、实验心得通过本次实验，我深刻理解了控制系统仿真的重要性和必要性。
MATLAB软件提供了强大的仿真工具和功能，能够帮助我们更好地理解和分析控制系统的性能。
MATLAB实验SIMULINK仿真
实验九SIMULINK仿真一、实验目的SIMULINK是一个对动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统）进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，是MA TLAB的一个附加组件，其特点是模块化操作、易学易用，而且能够使用MATLAB提供的丰富的仿真资源。
在SIMULINK环境中，用户不仅可以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响，而且也可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。
因此SIMULINK已然成为目前控制工程界的通用软件，而且在许多其他的领域，如通信、信号处理、DSP、电力、金融、生物系统等，也获得重要应用。
对于信息类专业的学生来说，无论是学习专业课程或者相关课程设计还是在今后的工作中，掌握SIMULINK，就等于是有了一把利器。
本次实验的目的就是通过上机训练，掌握利用SIMULINK对一些工程技术问题（例如数字电路）进行建模、仿真和分析的基本方法。
二、实验预备知识1. SIMULINK快速入门在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。
1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。
但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。
SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。
顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用系统提供的各种功能模块并通过信号线连接各个模块从而创建出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。
⏹SIMULINK的启动首先启动MATLAB，然后在MA TLAB主界面中单击上面的Simulink按钮或在命令窗口中输入simulink命令。
哈工大自控实验—基于MATLABSimulink的控制系统分析
Harbin Institute of Technologyb/;;/自动控制理论实验报告院系：电气工程及自动化学院班级：姓名：学号：实验名称：基于MATLAB/Simulink的控制系统分析同组人：实验时间：2015年11月11日哈尔滨工业大学实验五 线性系统的时域分析一、实验目的1、学会使用MATLAB 绘制控制系统的单位阶跃响应曲线；2、研究二阶控制系统中 、 对系统阶跃响应的影响3、掌握系统动态性能指标的获得方法及参数对系统动态性能的影响。
二、 实验设备Pc 机一台，MATLAB 软件。
三、实验内容1、已知二阶单位反馈闭环传递函数系统：求：（1）当 及 时系统单位阶跃响应的曲线。
① 时系统单位阶跃响应的曲线。
Time (seconds)A m p l i t u d e② 时系统单位阶跃响应的曲线。
Time (sec)A m p l i t u d eTime (sec)01020304050607080（2）从图中求出系统的动态指标: 超调量M p、上升时间t p及过渡过程调节时间t s。
,超调量=30.9%,上升时间=3,48s,=27.5s；，超调量=16.3%,=4.1s,=20.2s。
,=30.9%,=6.95s,=54.9s；,=30.9%,=2.33s,=18.3s。
（3）分析二阶系统中、的值变化对系统阶跃响应曲线的影响。
当不变，变大，系统的上升时间减小，最大超调量变小，调整时间减小。
当，变大，系统的上升时间减小，最大超调量不变，调整时间减小。
2、已知三阶系统单位反馈闭环传递函数为（1）求取系统闭环极点及其单位阶跃响应，读取动态性能指标。
（2）将原极点 S=-4 改成 S=-0.5,使闭环极点靠近虚轴，观察单位阶跃响应和动态性能指标的变化。
Time (sec)=7.26%，=1.03s，=3.64s；将原极点 S=-4 改成 S=-0.5（绿线）后, ，=4.12s，过渡过程调节时间=7.84s（3）改变系统闭环零点的位置将原零点 S=-2 改成 S=-1, 观察单位阶跃响应和动态性能指标的变化。
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基于Simulink 控制系统仿真与综合设计
一、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。
二、实验内容
图2.1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1.2所示系统设计PID 调节器参数。
图2.1 单位反馈控制系统框图
图2.2 综合设计控制系统框图
三、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2.2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。
四、实验步骤与方法
4.1时域仿真分析实验步骤与方法
在Simulink仿真环境中，打开simulink库，找出相应的单元部件模型，并拖至打开的模型窗口中，构造自己需要的仿真模型。
根据图2.1 所示的单位反馈控制系统框图建立其仿真模型，并对各个单元部件模型的参数进行设定。
所做出的仿真电路图如图4.1.1所示。
图4.1.1
当仿真系统较大而复杂时，可以创建子系统，以增加仿真模型的可读性。
将图4.1.1控制系统仿真模型进行子系统封装，在单位阶跃函数控制信号的作用下，图2.1所示的控制系统仿真模型如图4.1.2所示。
在simulink中，选择仿真方法，并设置仿真参数（积分步长，仿真误差及仿真时间等）。
根据仿真输出曲线，得出系统的主要性能指标参数。
将图4.1.2中的单位阶跃函数控制信号分别用斜坡函数信号t和抛物线函数信号t2/2替换，并完成系统仿真实验。
图4.1.2 子系统仿真图
4.2 控制系统PID校正器设计实验步骤与方法
构造的PID控制器仿真模型如图4.2.1 所示。
图中，Kp为PID控制器的比例系数，Ki为PID控制器的积分系数，Kd为PID控制器的微分系数。
图4.2.1 PID 控制器仿真模型
将图4.1.2所示的PID 控制器仿真模型进行子系统封装，而后按图2.2建立其仿真模型，如图4.2.2所示。
按Signal Constraint 使用规则，完成对PID 控制系统参数的整定与系统仿真分析。
在单位阶跃函数控制信号、斜坡函数控制信号t
和抛物线函数控制信号2/2
t 作用下，对系统进行仿真试验。
根据仿真输出曲线，
得出系统的主要性能指标参数。
在此实验中，设置的初始Kp=1, Kd=2, Ki=2。
图4.2.2 PID 控制系统子系统封装仿真模型
五、实验结果
5.1未用PID 整定时的实验结果
未用PID 整定时，当输入分别为阶跃信号、斜坡信号、以及2
/)(2t t r 实验中示波器显示结果分别如下图5.1.1、5.1.2、5.1.3所示，从图中可知震荡幅度均较大：
图5.1.1 输入为阶跃信号
图5.1.2 输入为斜坡信号
t r 信号
)
(2t
主要性能指标参数如表5-1：
5.2 使用PID整定之后的实验结果
加入PID整定模块之后，当输入分别为阶跃信号、斜坡信号、以及t
r=实验中示波器显示结果分别如下图5.2.1、5.2.2、5.2.3、5.2.4所示，)(2t
2/
从中可以看出几乎无震荡。
其中PID整定参数为：
Kp =2.2523；
Kd =0.8935；
Ki =2.1117
图5.2.1
图5.2.2输入为阶跃信号
图5.2.3输入为斜坡信号
t r
)
(2t
主要性能指标参数如表5-2：
六、实验结论与问题分析
6.1 实验结果分析
通过将图5.1.1与5.2.2、图5.1.2与5.2.3、图5.1.3与5.2.4相互比较，可以清晰地看出加入PID之前的仿真结果振荡幅度较大，误差较大；但是加入PID 之后图像几乎无振荡，PID起到了很好的整定效果。
6.2 实验中遇到的问题
1）实验中元器件的位置在simulink中难以找到，可以利用查找功能，直接输入模块的名称从而找到相应模块。
2）实验中对应输入输出名称要一致，否则不能运行出正确结果。
3）实验中要给Kp、Ki、Kd在matlab程序框中赋初值，否则无法进行仿真。
4）实验中应合理设置仿真参数，以保证输出图形的美观，可读性要强。