1-控制系统仿真与CAD课程实验指导书-060309
控制系统CAD与仿真实验指导书
实验一MATLAB的实验环境及基本命令一实验目的：1．学习了解MA TLAB的实验环境2．在MA TLAB系统命令窗口练习有关MA TLAB命令的使用。
二实验步骤1．学习了解MA TLAB的实验环境：在Windows桌面上，用mouse双击MA TLAB图标，即可进入MA TLAB系统命令窗口：图1-1 MA TLAB系统命令窗口①在命令提示符”>>”位置键入命令:help此时显示MA T ALAB 的功能目录， 其中有“Matlab\general ”，“toolbox\control ”等；阅读目录的内容；② 键入命令：intro此时显示MA TLAB 语言的基本介绍，如矩阵输入、数值计算、曲线绘图等。
要求阅读命令平台上的注释内容，以尽快了解MA TLAB 语言的应用。
③ 键入命令：help help显示联机帮助查阅的功能，要求仔细阅读。
④ 键入命令：into显示工具箱中各种工具箱组件和开发商的联络信息。
⑤ 键入命令：demo显示MA TLAB 的各种功能演示。
2． 练习MA TLAB 系统命令的使用。
① 表达式MA TLAB 的表达式由变量、数值、函数及操作符构成。
实验前应掌握有关变量、数值、函数及操作符的有关内容及使用方法。
练习1-1: 计算下列表达式:要求计算完毕后，键入相应的变量名，查看并记录变量的值。
②．向量运算： )6sin(/250π=d 2/)101(+=a )sin(3.2-=e c i b 53+=n 维向量是由n 个成员组成的行或列数组。
在MA TLAB 中，由分号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；由逗号或空号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；同维的向量可进行加减运算，乘法须遵守特殊的原则。
练习1-2已知：X=[2 ；-4；8]求 ：Y=R ＇；P=5*R ；E=X .*Y ；S=X ＇* Y练习1-3⑴产生每个元素为1的4维的行向量；⑵产生每个元素为0的4维的列向量；⑶产生一个从1到8的整数行向量，默认步长为1；⑷产生一个从π到0，间隔为π/3的行向量；③矩阵基本运算操作。
《控制系统CAD及仿真》课程设计任务书(2014)
《控制系统CAD 及仿真课程设计》任务书一、教学目标本课程设计是《控制系统CAD 及仿真》课程的综合设计实践环节。
它是为运用本课程所学知识、提高独立设计能力而进行的综合训练。
学生按照指导教师规定的题目和要求，完成控制系统的仿真建模、仿真算法、仿真设计和分析任务。
通过本课程设计，使学生深刻理解仿真原理和方法，掌握MA TLAB 平台下仿真算法的设计流程；进一步掌握SIMULINK 的模型与MATLAB 仿真程序的数据通讯方法。
从而提高学生的控制系统分析和设计能力，为学生今后从事控制系统研究工作打下良好的基础。
二、内容与要求课程设计内容1：采样控制系统的数字仿真实现要求学生分别采用差分方程递推求解法和连续部分按典型环节离散化法来设计采样控制系统的数字仿真程序，实现其仿真功能，绘出输出曲线。
（图中，11717.0172.2)(--+-=zz z D ） 课程设计内容2：PID 控制器的参数寻优要求学生设计PID 控制系统模型以及相应的参数整定仿真算法及程序，实现对系统参数的分析和完善。
在此基础上，基于单纯型寻优策略，设计PID 参数动态寻优仿真方案，三、教学文件与报告要求教学文件：张晓华主编.《控制系统数字仿真与CAD》（第二版）机械工业出版社.2004 课程设计报告内容包括：１仿真设计方案说明及论证；２设计所用仿真原理的说明；３仿真算法程序的说明；４模型构建、目标函数构建的方法；６系统运行状态调整及参数整定的说明７全部模型文件、程序文件以及仿真系统运行曲线和分析。
四、课程设计的考核与成绩评定办法学生在课程设计结束时提交课程设计报告。
内容围绕着设计任务书要求写。
成绩将根据课程设计情况和课设报告撰写情况进行综合考核。
控制系统仿真与CAD 实验报告
《控制系统仿真与CAD》实验课程报告一、实验教学目标与基本要求上机实验是本课程重要的实践教学环节。
实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过上机加强学生的实验手段与实践技能，掌握应用MATLAB/Simulink 求解控制问题的方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质。
通过对MATLAB/Simulink进行求解，基本掌握常见控制问题的求解方法与命令调用，更深入地认识和了解MATLAB语言的强大的计算功能与其在控制领域的应用优势。
上机实验最终以书面报告的形式提交，作为期末成绩的考核内容。
二、题目及解答第一部分：MATLAB 必备基础知识、控制系统模型与转换、线性控制系统的计算机辅助分析1.>>f=inline('[-x(2)-x(3);x(1)+a*x(2);b+(x(1)-c)*x(3)]','t','x','flag','a','b','c');[t,x]=ode45(f,[0,100],[0;0;0],[],0.2,0.2,5.7);plot3(x(:, 1),x(:,2),x(:,3)),grid,figure,plot(x(:,1),x(:,2)),grid2.>>y=@(x)x(1)^2-2*x(1)+x(2);ff=optimset;rgeScale='off';ff.TolFun= 1e-30;ff.TolX=1e-15;ff.TolCon=1e-20;x0=[1;1;1];xm=[0;0;0];xM=[];A=[]; B=[];Aeq=[];Beq=[];[x,f,c,d]=fmincon(y,x0,A,B,Aeq,Beq,xm,xM,@wzhfc1,f f)Warning: Options LargeScale = 'off' and Algorithm ='trust-region-reflective' conflict.Ignoring Algorithm and running active-set algorithm. To runtrust-region-reflective, setLargeScale = 'on'. To run active-set without this warning, use Algorithm = 'active-set'.> In fmincon at 456Local minimum possible. Constraints satisfied.fmincon stopped because the size of the current search direction is less thantwice the selected value of the step size tolerance and constraints are satisfied to within the selected value of the constraint tolerance.<stopping criteria details>Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-20):lower upper ineqlin ineqnonlin2x =1.00001.0000f =-1.0000c =4d =iterations: 5funcCount: 20lssteplength: 1stepsize: 3.9638e-26algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search' firstorderopt: 7.4506e-09constrviolation: 0message: [1x766 char]3.(a) >> s=tf('s');G=(s^3+4*s+2)/(s^3*(s^2+2)*((s^2+1)^3+2*s+5)) G =s^3 + 4 s + 2------------------------------------------------------s^11 + 5 s^9 + 9 s^7 + 2 s^6 + 12 s^5 + 4 s^4 + 12 s^3Continuous-time transfer function.(b)>> z=tf('z',0.1);H=(z^2+0.568)/((z-1)*(z^2-0.2*z+0.99))H =z^2 + 0.568-----------------------------z^3 - 1.2 z^2 + 1.19 z - 0.99Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.4.>> A=[0 1 0;0 0 1;-15 -4 -13];B=[0 0 2]';C=[1 00];D=0;G=ss(A,B,C,D),Gs=tf(G),Gz=zpk(G)G =a =x1 x2 x3x1 0 1 0x2 0 0 1x3 -15 -4 -13b =u1x1 0x2 0x3 2c =x1 x2 x3y1 1 0 0d =u1y1 0Continuous-time state-space model. Gs =2-----------------------s^3 + 13 s^2 + 4 s + 15Continuous-time transfer function. Gz =2---------------------------------(s+12.78) (s^2 + 0.2212s + 1.174)Continuous-time zero/pole/gain model.5.设采样周期为0.01s>> z=tf('z',0.01);H=(z+2)/(z^2+z+0.16)H =z + 2--------------z^2 + z + 0.16Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.6.>> syms J Kp Ki s;G=(s+1)/(J*s^2+2*s+5);Gc=(Kp*s+Ki)/s;GG=feedback(G*Gc,1)GG =((Ki + Kp*s)*(s + 1))/(J*s^3 + (Kp + 2)*s^2 + (Ki + Kp + 5)*s + Ki) 7.(a)>>s=tf('s');G=(211.87*s+317.64)/((s+20)*(s+94.34)*(s+0.1684));Gc=( 169.6*s+400)/(s*(s+4));H=1/(0.01*s+1);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),G z=zpk(GG)GG =359.3 s^3 + 3.732e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056----------------------------------------------------------------0.01 s^6 + 2.185 s^5 + 142.1 s^4 + 2444 s^3 + 4.389e04 s^2 + 1.399e05 s + 127056Continuous-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 -218.5 -111.1 -29.83 -16.74 -6.671 -3.029 x2 128 0 0 0 0 0 x3 0 64 0 0 0 0 x4 0 0 32 0 0 0 x5 0 0 0 8 0 0 x6 0 0 0 0 2 0b =u1x1 4x2 0x3 0x4 0x5 0x6 0c =x1 x2 x3 x4 x5 x6 y1 0 0 1.097 3.559 1.668 0.7573d =u1y1 0Continuous-time state-space model.Gz =35933.152 (s+100) (s+2.358) (s+1.499)----------------------------------------------------------------------(s^2 + 3.667s + 3.501) (s^2 + 11.73s + 339.1) (s^2 + 203.1s + 1.07e04) Continuous-time zero/pole/gain model.(b)设采样周期为0.1s>>z=tf('z',0.1);G=(35786.7*z^2+108444*z^3)/((1+4*z)*(1+20*z)*(1+74.04 *z));Gc=z/(1-z);H=z/(0.5-z);GG=feedback(G*Gc,H),Gd=ss(GG),Gz=zpk(GG) GG =-108444 z^5 + 1.844e04 z^4 + 1.789e04 z^3----------------------------------------------------------------1.144e05 z^5 +2.876e04 z^4 + 274.2 z^3 + 782.4 z^2 + 47.52 z + 0.5Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd =a =x1 x2 x3 x4 x5x1 -0.2515 -0.00959 -0.1095 -0.05318 -0.01791x2 0.25 0 0 0 0x3 0 0.25 0 0 0x4 0 0 0.125 0 0x5 0 0 0 0.03125 0b =u1x1 1x2 0x3 0x4 0x5 0c =x1 x2 x3 x4 x5y1 0.3996 0.6349 0.1038 0.05043 0.01698d =u1y1 -0.9482Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time state-space model.Gz =-0.94821 z^3 (z-0.5) (z+0.33)---------------------------------------------------------- (z+0.3035) (z+0.04438) (z+0.01355) (z^2 - 0.11z + 0.02396) Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time zero/pole/gain model.8.>>s=tf('s');g1=1/(s+1);g2=s/(s^2+2);g3=1/s^2;g4=(4*s+2)/(s+1)^2;g5=50 ;g6=(s^2+2)/(s^3+14);G1=feedback(g1*g2,g4);G2=feedback(g3,g5);GG=3*fe edback(G1*G2,g6)GG =3 s^6 + 6 s^5 + 3 s^4 + 42 s^3 + 84 s^2 + 42 s---------------------------------------------------------------------------s^10 + 3 s^9 + 55 s^8 + 175 s^7 + 300 s^6 + 1323 s^5 + 2656 s^4 + 3715 s^3 + 7732 s^2 + 5602 s + 1400Continuous-time transfer function.>>s=tf('s');T0=0.01;T1=0.1;T2=1;G=(s+1)^2*(s^2+2*s+400)/((s+5)^2*(s^2 +3*s+100)*(s^2+3*s+2500));Gd1=c2d(G,T0),Gd2=c2d(G,T1),Gd3=c2d(G,T2),s tep(G),figure,step(Gd1),figure,step(Gd2),figure,step(Gd3)Gd1 =4.716e-05 z^5 - 0.0001396 z^4 + 9.596e-05 z^3 + 8.18e-05 z^2 - 0.0001289 z + 4.355e-05----------------------------------------------------------------z^6 - 5.592 z^5 + 13.26 z^4 - 17.06 z^3 + 12.58 z^2 - 5.032 z + 0.8521Sample time: 0.01 secondsDiscrete-time transfer function.Gd2 =0.0003982 z^5 - 0.0003919 z^4 - 0.000336 z^3 + 0.0007842 z^2 - 0.000766 z + 0.0003214----------------------------------------------------------------z^6 - 2.644 z^5 + 4.044 z^4 - 3.94 z^3 + 2.549 z^2 - 1.056 z + 0.2019Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.Gd3 =8.625e-05 z^5 - 4.48e-05 z^4 + 6.545e-06 z^3 + 1.211e -05 z^2 - 3.299e-06 z + 1.011e-07---------------------------------------------------------------z^6 - 0.0419 z^5 - 0.07092 z^4 - 0.0004549 z^3 + 0.002495 z^2 - 3.347e-05 z + 1.125e-07Sample time: 1 secondsDiscrete-time transfer function.10.(a)>> G=tf(1,[1 2 1 2]);eig(G),pzmap(G) ans =-2.0000-0.0000 + 1.0000i-0.0000 - 1.0000i系统为临界稳定。
《控制系统仿真与辅助设计》实验指导书1
实验一 Matlab 使用数值方程求解和绘图练习一、实验目的1、熟悉Matlab 求解数值方程的方法2、掌握Matlab 进行二维和三维绘图的方法二、实验内容1、Matlab 进行系统数学模型描述、仿真算法定义的基本语法规则及用法。
2、Matlab 进行仿真时解算器的选择方法3、Matlab 进行绘制二维图、三维图的方法4、如何将数值方程的三维相轨迹通过Matlab 的方法计算出来三、实验步骤：1、已知Rossler 化学反应方程组如下[]⎪⎩⎪⎨⎧-+=+=--=)()()()()()()()()(t z c t x b t z t ay t x t yt z t y t x 选定a=b=0.2，c=5.7，创建匿名函数，将此方程组输入到Matlab 中2、选择合适的解算器，求解此微分方程组3、使用plot 命令，将x,y ,z 的时间响应曲线绘制出来4、使用plot3命令，绘制仿真结果的三维相轨迹5、绘制三维相轨迹在x-y 平面上的投影四、实验报告实验报告应包含每一个实验步骤的Matlab 命令和执行结果，将执行结果进行屏幕抓图打印后粘贴在实验报告上实验二 使用Matlab 求解控制系统解析解一、实验目的1、熟悉Matlab 输入控制系统的方法2、掌握Matlab 进行控制系统求解的方法二、实验内容1、将控制系统的数学模型输入Matlab 的方法2、使用Matlab 进行控制系统模型转换的方法3、使用Matlab 求解控制系统单位阶跃响应和单位脉冲响应的解析解的方法4、使用Matlab 求解控制系统对某一个函数的输入的响应解析解三、实验步骤：1、将以下的数学模型输入到Matlab 中去4032010958411812467284224494536546364032018576022208812266436380598251418)(2345678234567+++++++++++++++=s s s s s s s s s s s s s s s s G2、使用residue 命令，分别求出单位阶跃响应和单位脉冲响应的Y(s)的分子和分母多项式的系数3、列写出G(s)的零状态情况下，系统单位阶跃响应和单位脉冲响应的解析解4、求取u=sin(3t+5)的拉普拉斯变换5、求取G(s)零状态情况下，系统对u=sin(3t+5)响应的解析解四、实验报告实验报告应包含每一个实验步骤的Matlab 命令和执行结果，将每一步Matlab 的执行结果抄写在实验报告上。
“控制系统数字仿真与CAD”实验指导书.
写，均要求用标准Ａ４纸进行撰写，单栏排版，单面打印，并左侧装订，以便于报告最终的批阅与存档，（对于存在“逻辑混乱” 、“文字不清” 、“作图潦草” 、“排版混乱”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。
封页：（参考最后一页的“封页”格式）正文：（小四字体）仿真实验题目 1、 2、 3、 4、 5、五、思考题 1．在系统启动过程的第 2 阶段中，理想的电流特性为：实际值小于给定/设定值，试说明为何？引言原理/建模设计/分析/论述仿真实验/结果分析结论（思考题解答） 2．动态性能中，电流/转速特性的“超调量”与理论值是否有偏差？；如有偏差，试给出分析/解释。
3．在“双闭环直流电动机调速系统”中，电流调节器与速度调节器的输出都要设置“限幅” ，试说明：你是如何选取限幅值的？ 4．假设系统中的励磁电压减小/增加，试说明：系统转速将可能怎样变化？参考文献： [1] 张晓华主编《控制系统数字仿真与 CAD》第 3 版机械工业出版社 2009 [2] 张晓华主编《系统建模与仿真》清华大学出版社 2006 [3] 陈伯时主编《电力拖动自动控制系统》第 3 版机械工业出版社 2008 25
“控制系统数字仿真与CAD” 仿真实验报告姓班学名：级：号：联系电话： Email: 提交日期： 26。
《控制系统仿真与CAD》实验指导书朱品伟
《控制系统仿真与CAD》实验指导书朱品伟《控制系统仿真与CAD》实验指导书江苏理工学院电气信息工程学院朱品伟 2021.12实验一 Matlab使用方法和程序设计一、实验目的1、掌握Matlab软件使用的基本方法；2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制4、熟悉Matlab程序设计的基本方法二、实验内容 1、帮助命令使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法； 2、矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 求A^2*B。
（2）矩阵除法已知 A=[1 1 2;4 9 6;5 7 9]; B=[1 2 1;3 2 4;5 8 3]; 求A\\B,A/B。
（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i]; 求A.', A'。
（4）使用冒号选出指定元素已知： A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素；（5）方括号[]用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列。
3、多项式（1）求多项式的根（2）已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] 求矩阵A的特征多项式;求特征多项式中未知数为20时的值；把矩阵A作为未知数代入到多项式中； 4、基本绘图命令（1）绘制余弦曲线y=cos(t)，t∈[0，2π]（2）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)，t∈[0，2π] 5、基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的x1=10sint曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）坐标轴控制：显示范围、刻度线；（3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本； 6、基本程序设计（1）编写命令文件：计算1+2+…+n<2000时的最大n值；（2）编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到n次幂的和。
控制系统CAD与数字仿真实验指导书(2014新版)(1) (1)
控制系统CAD及数字仿真实验指导书自动化系目录第一章前言............... (2)第二章控制系统CAD及数字仿真实验1．数据处理方法的MATLAB实现 (4)2．控制系统建模的MATLAB实现 (5)3．PID校正设计的MATLAB实现 (6)4．微分方程的Simulink仿真............ . (7)5．S函数的编写和Simulink仿真．........... .... .... .... .9 6．图像处理系统的算法和界面设计................... .. .... .10第一章前言本实验课程是与学科基础选修课程《控制系统CAD及数字仿真》相配合的实践课程。
作为联系自动控制理论、自动控制系统设计、课程设计、毕业设计等教学环节的仿真技术类课程，其不仅可以使学生加强课程的学习效果，而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具，有效加强教学中的实践性教学环节，提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。
开设本课程的目的，主要是培养学生运用MATLAB语言进行编程和仿真的能力，为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。
一、上机实验要求1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱与SIMULINK软件包。
2、能根据有关控制算法，编写有关的MATLAB程序。
3、能对实验结果进行分析和讨论，得到相关的实验结论。
二、上机实验的基本程序：1、明确实验任务。
2、提出实验方案。
3、编制有关的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型。
4、进行实验操作，作好观测和记录，保存有关的实验数据。
5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行上机实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。
要做好各个上机实验，就应做到：实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。
实验一数据处理方法的MATLAB实现一、实验目的学会在MATLAB环境下对已知的数据进行处理。
控制系统CAD与仿真实验指导书
《控制系统CAD与仿真》实验指导书计控学院自动化系实验一 Matlab 运算基础一、 实验目的1、熟悉启动和退出Matlab 的方法；2、熟悉Matlab 命令窗口的组成；3、掌握建立矩阵的方法；二、 实验内容：1、帮助命令使用help 命令，查找 sqrt （开方）函数的使用方法；2、先求下列表达式的值，然后显示Matlab 工作空间的使用情况并保存全部变量。
0.3,9.2,8.2,...,8.2,9.2,0.3,23.0ln )3.0sin(2)3(545.0212),1log(21)2(185sin 2)1(3.03.032221---=+++-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=++=+=-a a a e e z i x x x z e z a a 其中 提示：利用冒号表达式生成a 向量，求各点的函数值时用点乘运算。
⎪⎩⎪⎨⎧=<≤+-<≤-<≤=5.2:5.0:0,32,1221,110,)4(2224t t t t t t t t z 其中提示：用逻辑表达式求分段函数值。
3、已知：三、 预习要求：利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告上。
实验二 结构程序设计一、 实验目的1、掌握利用while 语句实现循环结构的方法。
2、掌握利用if 语句实现选择结构的方法。
3、掌握利用switch 语句实现多分支选择结构的方法。
二、 实验内容：1、计算1+2+…+n<2000时的最大n 值。
2、计算分段函数⎪⎩⎪⎨⎧≥+-<≤-<=2122111222x x x x x x x y 的值。
3、给出一个学生的百分制成绩，要求转化成成绩等级输出，等级分为’A ’、’B ’、’C ’、’D ’、’E ’五等。
90分以上为’A ’，80~89为’B ’，70~79为’C ’，60~69为’D ’、60分以下为’E ’。
三、 预习要求：利用所学知识，编写实验内容中1到3的相应程序，并写在预习报告实验三 三种系统数学模型之间的转换一、 实验目的1、掌握如何将LTI 对象转换为传递函数模型2、掌握如何将LTI 对象转换为零极点增益模型3、掌握如何将LTI 对象转换为状态空间模型二、 实验内容：1、将LTI 对象转换为传递函数模型（1）已知系统状态空间模型：u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=40205.09.85.101.0105.01.03.0.；[]x y 3,2,1=， 求其等效的传递函数模型。
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1-控制系统仿真与CAD课程实验指导书-060309控制系统数字仿真与CAD实验指导书张晓华编哈尔滨工业大学电气工程系2006年3月“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验一、实验目的1.熟悉Matlab/Simulink仿真环境；2.掌握Simulink图形化建模方法；3.验证“直流电动机转速/电流双闭环PID控制方案”的有效性。
二、实验内容1.“双闭环直流电动机调速系统”的建模2.电流环／调节器设计3.电流环动态跟随性能仿真实验4.转速环／调节器设计5.转速环动态抗扰性能仿真实验6.系统动态性能分析（给出仿真实验结果与理论分析结果的对比／分析／结论）三、实验步骤1、系统建模A．控制对象的建模建立线性系统动态数学模型的基本步骤如下：1d Ua) b)Uc)图2 额定励磁下直流电动机的动态结构图a) 式（1）的结构图 b)式（2）的结构图c)整个直流电动机的动态结构图C ．晶闸管触发和整流装置的动态数学模型 在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待。
这一环节的输入量是触发电路的控制电压U ct ，输出量是理想空载整流电压U d0。
把它们之间的放大系数K s 看成常数，晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。
下面列出不同整流电路的平均失控时间：表1 各种整流电路的平均失控时间（f=50Hz ）用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为01()d s ct s U K U t T =⋅-按拉氏变换的位移定理，则传递函数为0()()s T s d s ct U s K e U s -= （3） 由于式（3）中含有指数函数s T s e -，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。
为了简化，先将s T s e -按台劳级数展开，则式（3）变成102233()11()12!3!s s T s d s s s T s ct s s s U s K K K e U s e T s T s T s -===++++ 考虑到T s 很小，忽略其高次项，则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节0()()1d s ct s U s K U s T s ≈+ （4）其结构图如图3所示。
()ct U s 0()d U s s T s s K e - ()ct U s 0()d U s 1s s K T s +a)b) 图3 晶闸管触发和整流装置的动态结构图a) 准确的结构图 b)近似的结构图D ．比例放大器、测速发电机和电流互感器的动态数学模型 比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数也就是它们的传递函数，即()()ct p n U s K U s =∆ （5） ()()n U s n s α= （6） ()()i d U s I s β= （7）E ．双闭环控制直流电动机调速系统的动态数学模型根据以上分析，可得双闭环控制系统的动态结构图如下2 1/1l R T s +m R T s 1e C 1s s K T s +()ACR W s ()ASR W s βαn U *i U * ct U 0d U dL I d I nn U i U ____图4 双闭环控制系统的动态结构图2、实验系统参数系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：直流电动机：220V ，13.6A ，1480r/min ，e C =0.131V/（r/min ）， 允许过载倍数λ=1.5。
晶闸管装置：76s K =。
电枢回路总电阻：R =6.58Ω。
时间常数：l T =0.018s ，m T =0.25s 。
反馈系数：α=0.00337V/（r/min ），β=0.4V/A 。
反馈滤波时间常数：oi T =0.005s ，on T =0.005s 。
3.PID 调节器参数设计设计多闭环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。
在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
双闭环控制系统的动态结构图绘于图5，它增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。
其中T oi 为电流反馈滤波时间常数，T on 为转速反馈滤波时间常数3 1/1l R T s +m R T s 1e C 1s s K T s +()ACR W s ()ASR W s n U *i U * ct U 0d U dL I dI n____11oi T s +1on T s α+1oi T s β+11on T s +电流环图5 双闭环控制系统的动态结构图（1）电流调节器的设计对于电力拖动控制系统，电流环通常按典型Ⅰ型系统来设计。
要把内环校正成典型Ⅰ型系统，显然应该采用PI 调节器，其传递函数可以写成1()i ACR i i s W s K sττ+= （8） 式中 Ki —电流调节器的比例系数；i τ—电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数（极点），选择i l T τ= （9） 一般情况下，希望超调量σ%≤5%时，取阻尼比ξ=0.707，0.5I i K T ∑=，得：12I iK T ∑=，（i s oi T T T ∑=+） （10） 又因为 i s I i K K K R βτ= （11）得到 0.52i l l i I s s i s i R T R T R K K K K T K T τβββ∑∑⎛⎫=== ⎪⎝⎭（12）（2）转速调节器的设计对于电力拖动控制系统，转速环通常希望具有良好的抗扰性能，因此我们要把转速环校正成典型Ⅱ型系统。
要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为41()n ASR n n s W s K sττ+= （13） 式中 Kn —电流调节器的比例系数；n τ—电流调节器的超前时间常数。
转速开环增益 n N n e mK R K C T ατβ=（14） 按照典型Ⅱ型系统的参数选择方法， n n hT τ∑=，（2n i on T T T ∑∑=+） （15）2212N n h K h T ∑+= （16） 考虑到式（14）和（15），得到ASR 的比例系数(1)2e mn n h C T K h RT βα∑+= （17）一般以选择h =5为好所以：5n n T τ∑=⨯，2650N nK T ∑=⨯ （18） 经过如上设计,得到的双闭环控制系统从理论上讲有如下动态性能：电动机起动过程中电流的超调量为4.3%，转速的超调量为8.3%。
（3）ACR 和ASR 的理论设计及结果①电流环的设计电流环的设计具体设计步骤如下：a ，确定时间常数整流装置滞后时间常数T s按表1，三相桥式电路的平均失控时间T s =0.00167s 。
电流滤波时间常数T oi =0.005s 。
电流环小时间常数i T ∑取0.001670.0050.00667s i s oi T T T ∑=+=+=。
b ，选择电流调节器结构电流调节器选择PI 型，其传递函数为5 1()i ACR i i s W s K sττ+= （19） c ，选择电流调节器参数ACR 超前时间常数：0.018s i l T τ==。
ACR 的比例系数为0.018 6.5874.960.2920.476i i I s R K K K τβ⨯=⋅=⨯=⨯ （20） d ，校验近似条件由电流环截止频率，晶闸管装置传递函数近似条件，忽略反电势对电流环影响的条件，小时间常数近似处理条件等考虑得电流调节器传递函数为0.01810.0181()0.2920.0180.062ACR s s W s s s++=⋅= （21） ②转速环的设计具体设计步骤如下：a ，确定时间常数按小时间常数近似处理，取20.013340.0050.01834s n i on T T T ∑∑=+=+=。
b ，选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。
故ASR 选用PI 调节器，其传递函数为1()n ASR n n s W s K sττ+= （22） c ，选择转速调节器参数按典型Ⅱ型系统最佳参数的原则，取h =5，则ASR 的超前时间常数为50.01834s 0.0917s n n hT τ∑==⨯=转速开环增益 2-2222161/s 356.77s 22250.01834N n h K h T ∑+===⨯⨯ 于是，ASR 的比例系数为(1)60.40.1310.2519.332250.00337 6.580.01834e m n n h C T K h RT βα∑+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯d ，校验近似条件从转速环截止频率，电流环传递函数简化条件，小时间常数近似处理条件等考虑得：转速调节器传递函数为0.091710.09171()19.330.09170.005ASR s s W s s s++=⋅= （23） ③ASR 输出限幅值的确定当ASR 输出达到限幅值U *im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。
稳态时*im d dm U I I β== （24）式中，最大电流I dm 是由设计者选定的，取决于电机的过载能力和拖动系统允许的最大加速度。
在这里，我们选取I dm =20A ，那么ASR 输出限幅值为*0.4208V im dm U I β=⋅=⨯= （25）4、SIMULINK 建模我们借助SIMULINK ，根据上节理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如下所示：图7 双闭环调速系统的动态结构图（1）系统动态结构的simulink建模①启动计算机，进入MATLAB系统检查计算机电源是否已经连接，插座开关是否打开，确定计算机已接通，按下计算机电压按钮，打开显示器开关，启动计算机。
打开Windows开始菜单，选择程序，选择MATAB6.5.1，选择并点击MATAB6.5.1，启动MATAB程序，如图8，点击后得到下图9：图8选择MATAB程序图9 MATAB6.5.1界面点击smulink 中的continuous,选择transfor Fc n（传递函数）就可以编辑系统的传递函数模型了，如图10。
图10 smulink界面②系统设置选择smulink界面左上角的白色图标既建立了一个新的simulink模型，系统地仿真与验证将在这个新模型中完成，可以看到在simulink目录下还有很多的子目录，里面有许多我们这个仿真实验中要用的模块，这里不再一一介绍，自介绍最重要的传递函数模块的设置，其他所需模块参数的摄制过程与之类似。