控制系统仿真 实验二
MATLAB与控制系统仿真实验报告
MATLAB与控制系统仿真实验报告第一篇：MATLAB与控制系统仿真实验报告《MATLAB与控制系统仿真》实验报告2013-2014学年第 1 学期专业：班级：学号：姓名：实验三 MATLAB图形系统一、实验目的：1.掌握绘制二维图形的常用函数。
2.掌握绘制三维图形的常用函数。
3.熟悉利用图形对象进行绘图操作的方法。
4.掌握绘制图形的辅助操作。
二、实验原理：1，二维数据曲线图（1）绘制单根二维曲线plot(x,y);（2）绘制多根二维曲线plot(x,y)当x是向量，y是有一维与x同维的矩阵时，则绘制多根不同颜色的曲线。
当x，y是同维矩阵时，则以x，y对应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。
（3）含有多个输入参数的plot函数plot(x1,y1,x2,y2,…,xn,yn)（4）具有两个纵坐标标度的图形plotyy(x1,y1,x2,y2)2,图形标注与坐标控制1）title(图形名称)；2）xlabel（x轴说明）3）ylabel（y轴说明）4）text（x，y图形说明）5）legend（图例1，图例2，…）6）axis（[xmin xmax ymin ymax zmin zmax]）3, 图形窗口的分割 subplot（m,n,p）4,三维曲线plot3（x1,y1,z1,选项1，x2,y2，选项2，…,xn,yn,zn,选项n）5，三维曲面mesh(x,y,z,c)与surf(x,y,z,c)。
一般情况下，x，y，z是维数相同的矩阵。
X，y是网格坐标矩阵，z是网格点上的高度矩阵，c用于指定在不同高度下的颜色范围。
6，图像处理1）imread和imwrite函数这两个函数分别用于将图象文件读入matlab工作空间，以及将图象数据和色图数据一起写入一定格式的图象文件。
2）image和imagesc函数这两个函数用于图象显示。
为了保证图象的显示效果，一般还应使用colormap函数设置图象色图。
控制系统仿真实验指导书MATLAB部分
控制系统仿真实验说明书Matlab部分目录前言 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。
实验一MATLAB基本操作 (2)实验二MATLAB编程 (6)实验三MATLAB底层图形控制 (6)实验四控制系统古典分析 (6)实验五控制系统现代分析 (6)实验六PID控制器的设计 (12)实验七系统状态空间设计 (14)实验八磁悬浮系统仿真 (16)实验九直流双闭环调速系统仿真 (20)实验十倒立摆控制系统仿真 (21)实验一MATLAB基本操作实验目的1．熟悉MATLAB实验环境，练习MATLAB命令、m文件基本操作。
2．利用MATLAB编写程序进行矩阵运算、图形绘制、数据处理等。
3. 熟悉矩阵相关的基本函数和命令。
4．熟练使用帮助。
实验原理MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。
MATLAB 有3种窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m-文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。
1．命令窗口（The Command Window）当MA TLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。
用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。
在MA TLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。
在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。
因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为m-文件。
2．m-文件编辑窗口（The Edit Window）我们可以用m-文件编辑窗口来产生新的m-文件，或者编辑已经存在的m-文件。
实验二-基于Matlab的离散控制系统仿真
实验二基于Matlab的离散控制系统仿真一、实验目的1)学习使用Matlab命令对离散控制系统进行仿真的方法。
2)学习使用Simulink工具箱对离散控制系统进行仿真的方法。
二、实验原理1. 控制系统命令行仿真一阶系统闭环传递函数为3()G ss+3请转换为离散系统脉冲传递函数并仿真。
根据要求实验有实验数据和所得图形如下：连续零极点图函数：离散函数零极点图：连续函数根轨迹图:离散函数根轨迹图：连续函数单位脉冲响应曲线：离散函数单位脉冲响应曲线：连续函数单位阶跃响应：离散函数单位阶跃响应：连续函数波特图：离散函数波特图：连续函数艾奎斯特曲线：离散函数艾奎斯特曲线：连续函数尼科尔斯曲线：离散函数尼科尔斯曲线：2. 控制系统simulink 仿真按图建立系统的Simulink 模型，对不同的输入信号进行仿真，改变参数，观察不同的仿真结果。
图1 控制系统Simulink 仿真图解答于实验内容第二问三、实验内容1) 二阶系统传递函数为225()4+25G s s s =+，请转换为零极点模型，离散系统模型（采样时间为1），以及离散零极点模型，并进行基于matlab 命令的仿真研究（求连续和离散系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应、零极点分布图、根轨迹、波特图、奈奎斯特曲线、尼科尓斯曲线等）。
根据题意实验所得有：连续单位脉冲响应连续单位阶跃响应连续零极点分布图离散零极点分布图连续根轨迹连续波特图连续奈奎斯特曲线连续尼科尓斯曲线2)按图1建立系统的Simulink模型，对不同的输入信号进行仿真。
改变模型参数，观察不同的仿真结果。
Step输入：Ramp输入:当函数分子分别为1，10，100，500时有：经过实验可以看出分子越大超调越大，调整时间越大。
3)将上述系统离散化并基于Simulink仿真，观察仿真结果。
根据题意实验有：Step输入：Ramp输入：分子为1时：Step输入：Ramp输入：分子为250时：Step输入：Ramp输入：四、实验报告1)按照实验报告所要求的统一格式，填写实验报告；2)记录实验过程、实验结果和图表。
实验二：Multisim交通灯仿真
03
交通灯工作原理
交通灯的种类
01
02
03
红绿灯
红、绿、黄三种颜色，用 于指示车辆和行人停止、 通行和等待。
交通信号灯
包括左转、直行和右转信 号，用于管理不同方向的 交通流。
紧急停车带交通灯
用于指示紧急车辆在紧急 情况下使用紧急停车带。
交通灯的控制逻辑
时序逻辑
实验二Multisim交通 灯仿真
目录
• 实验目的 • Multisim软件介绍 • 交通灯工作原理 • 交通灯控制系统设计 • Multisim仿真过程 • 实验总结与展望
01
实验目的
掌握Multisim软件的使用
掌握Multisim软件的界面布局和基本 操作，如元件库管理、电路图绘制、 仿真运行等。
控制电路
由定时器、微控制器等组成，用于实 现交通灯的时序逻辑和控制逻辑。
04
交通灯控制系统设计
控制系统设计思路
确定控制目标
根据交通需求，确定交通灯控制 系统的目标，如车辆和行人的通
行时间、优先级等。
选择控制策略
根据控制目标，选择合适的控制策 略，如定时控制、感应控制等。
设计控制电路
根据控制策略，设计控制电路，包 括红、绿、黄三个方向的信号灯和 必要的传感器。
03
检查电路的电气特性，如电压、电流等是否符合预 期。
仿真运行与结果分析
01
启动仿真，观察电路的工作过程。
02 使用虚拟仪器记录仿真过程中的电压、电 流等数据。
03
分析仿真结果，并与实际电路的工作情况 进行比较。
04
根据仿真结果，对电路设计进行优化和改 进。
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。
实验二单回路PID控制系统
５实验二 单回路P I D 控制系统组成及过程动态特性参数对控制质量的影响一、 实验目的：1．熟悉Matlab 仿真环境；2．理解单回路控制系统的组成；3．理解给定值扰动和负荷扰动的过渡过程曲线；4．掌握扰动通道、控制通道的静态参数和动态参数对控制质量的影响； 5．掌握扰动作用位置对控制质量的影响；6．掌握对象的多个时间常数之间的关系对控制质量的影响；二、 实验内容：对如下图所示的单回路控制系统进行仿真。
进入仿真环境，建立如下仿真系统： 例：其中，Step input 作为系统给定值；而Step1 input 作为外部干扰。
注：PID 模块后的比例环节可换为一阶环节。
具体步骤为： 1、模块在库中，模块在库中，模块在库中，模块在库中。
模块在库的中。
2、双击模块可以设定每个模块的参数，左键拖动鼠标产生连线，右键拖动鼠标可产生交接线。
PID 参数设定如下： （一）给定值扰动：设置给定值阶跃扰动Step input 为某一值，设外部干扰Step1 input 为0，改变PID 控制器的参数，从模块观察系统输出曲线，直到出现4:1衰减曲线。
（如图）①修改Step input模块：双击，对话框参数为：②修改PID模块：双击PID模块，出现如下对话框：在此窗口下修改P、I、D参数。
反复调整P、I、D参数，使输出成为4:1衰减曲线。
６７（二） 负荷扰动：修改参数步骤与（一）相同，设Step input 给定值扰动为0，负荷扰动Step1 input 设置为某一值。
反复调整P 、I 、D 参数，使输出成为4:1衰减曲线。
８（三）观察扰动通道和控制通道参数对控制质量的影响：（调节器整定参数值不变）1．改变扰动通道静态参数和动态参数，观察输出波形的变化；2．改变控制通道静态参数和动态参数，观察输出波形的变化；3．改变扰动作用位置，观察输出波形的变化；９三、实验结果整理：1、总结单回路仿真系统的基本组成部分。
给定、调节器、控制器、被控对象、测量变送、输出参数2、分别在实验内容（一）、（二）所得到的仿真曲线上，标明并求出控制系统的各项性能指标。
列车运行控制系统实验二实验报告
列车运行控制系统实验二实验报告实验二：列车运行控制系统一、实验目的1.了解列车运行控制系统的基本原理；2.掌握列车运行控制系统的调试和排障方法；3.培养学生分析和解决问题的能力。
二、实验原理列车信号控制系统是用于向列车司机发送运行指令和监控列车运行情况的系统。
其主要由列车信号机、列车接收机和列车控制终端三部分组成。
列车信号机是设在轨道上的信号装置，用于向司机发送运行指令。
列车接收机是安装在列车上的接收装置，用于接收信号机发出的运行指令。
列车控制终端是列车司机的操作装置，用于接收和解析列车接收机接收到的运行指令。
三、实验内容1.搭建列车信号控制系统实验平台，包括列车信号机、列车接收机和列车控制终端；2.进行列车信号控制系统的调试和测试，包括发送运行指令、接收运行指令和运行数据监控等；3.记录列车信号控制系统的参数和运行情况；4.分析列车信号控制系统的工作原理和问题原因。
四、实验步骤1.搭建列车信号控制系统实验平台，按照实验指导书提供的原理图和零件进行连接；2.将列车信号机安装在轨道上，保证其与列车接收机的通信距离符合要求；3.将列车接收机安装在列车上，保证其与列车信号机的通信距离符合要求；4.将列车控制终端安装在司机室，保证其与列车接收机的通信距离符合要求；5.按照实验指导书提供的指令，进行列车信号控制系统的调试和测试；6.记录实验过程中的参数和运行情况，包括发送的运行指令、接收到的运行指令和监控到的运行数据；7.分析列车信号控制系统的工作原理和问题原因，总结实验结果。
五、实验结果通过实验调试和测试，我们成功地搭建了列车信号控制系统实验平台，并进行了运行指令发送、接收和运行数据监控等操作。
实验过程中，我们记录了发送的运行指令、接收到的运行指令和监控到的运行数据。
通过分析实验结果，我们发现系统运行正常，没有出现明显的问题。
六、实验总结本实验通过搭建列车信号控制系统实验平台，对列车信号控制系统进行了调试和测试。
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告实验报告：MATLAB与控制系统仿真引言在现代控制工程领域中，仿真是一种重要的评估和调试工具。
通过仿真技术，可以更加准确地分析和预测控制系统的行为和性能，从而优化系统设计和改进控制策略。
MATLAB是一种强大的数值计算软件，广泛应用于控制系统仿真。
实验目的本实验旨在掌握MATLAB在控制系统仿真中的应用，通过实践了解控制系统的建模与仿真方法，并分析系统的稳定性和性能指标。
实验内容1.建立系统模型首先，根据控制系统的实际情况，建立系统的数学模型。
通常，控制系统可以利用线性方程或差分方程进行建模。
本次实验以一个二阶控制系统为例，其传递函数为：G(s) = K / [s^2 + 2ζω_ns + ω_n^2]，其中，K表示放大比例，ζ表示阻尼比，ω_n表示自然频率。
2.进行系统仿真利用MATLAB软件，通过编写代码实现控制系统的仿真。
可以利用MATLAB提供的函数来定义传递函数，并通过调整参数来模拟不同的系统行为。
例如，可以利用step函数绘制控制系统的阶跃响应图像，或利用impulse函数绘制脉冲响应图像。
3.分析系统的稳定性与性能在仿真过程中，可以通过调整控制系统的参数来分析系统的稳定性和性能。
例如，可以改变放大比例K来观察系统的超调量和调整时间的变化。
通过观察控制系统的响应曲线，可以判断系统的稳定性，并计算出性能指标，如超调量、调整时间和稳态误差等。
实验结果与分析通过MATLAB的仿真，我们得到了控制系统的阶跃响应图像和脉冲响应图像。
通过观察阶跃响应曲线，我们可以得到控制系统的超调量和调整时间。
通过改变放大比例K的值，我们可以观察到超调量的变化趋势。
同时，通过观察脉冲响应曲线，我们还可以得到控制系统的稳态误差，并判断系统的稳定性。
根据实验结果分析，我们可以得出以下结论：1.控制系统的超调量随着放大比例K的增大而增大，但当K超过一定值后，超调量开始减小。
2.控制系统的调整时间随着放大比例K的增大而减小，即系统的响应速度加快。
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实验二Matlab的数值运算及绘图
1.试验目的
(1)学习Matlab语言的基本矩阵运算；
(2)学习Matlab语言的点运算；
(3)学习多项式运算；
(4)学习Matlab语言的各种二维绘图；
2.试验内容
在下面的试验操作中，认真记录每项操作的作用和目的；
(1)基本矩阵运算
1)创建数值矩阵。
键入
a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]；
观察
a
a(3,2)
a(:,1)
键入
t=0:10
u=0:0.1:10
观察矩阵变量t，u的值。
键入
a(:,3)=[2;3;4]
a
观察矩阵a的变化。
键入
b=[1 1+2i ;3+4i 3]
观察复数矩阵。
2)创建特殊矩阵；
键入
a=ones(3,3)
b=zeros(2,2)
c=eye(4)
观察特殊矩阵。
3)练习矩阵运算；
键入
a=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6]; b=[1 2;3 4;5 6];
c=[1 1 0;0 1 1];
作矩阵乘运算
v1=c*a
v2=a*b
v3=c*a*b
v4=b*c
v5=c*b
矩阵乘方运算
a^2
a^(1/2)
矩阵加减运算
a1=a+b*c
a2=c*b-a(1:2,1:2)
a3=a(1:2,2:3)+c*b
矩阵右除（矩阵右除为四则运算的除运算，必须满足矩阵维数的要求）ar=c/a
矩阵左除（矩阵左除等价于逆乘运算a\c=a-1*c，a-1为矩阵a的逆运算）al=a\b
4)练习矩阵特征运算
完成以下矩阵特征运算。
a'
inv(a)
rank(a)
det(a)
eig(a)
(2)Matlab语言的点运算
1)练习点乘与点除。
a1=[1 2;3 4]
a2=0.2*a1
观察
[a1 a2]
[a1.*a2 a1./a2]
2)由点运算完成标量函数运算与作图。
正、余弦函数的点运算。
t=0:2*pi/180:2*pi;
y1=sin(t);y2=cos(t);
y=y1.*y2;
plot(t,[y' y1' y2']);
(3)多项式运算
1)建立多项式向量；
ap=[1 3 3 1];
b=[-1 -2 -3];
bp=poly(b)
2)练习多项式乘与求根。
p=conv(ap,bp)
roots(p)
3)练习多项式运算。
a=[1 2 3 4];b=[1 -1];
c=a+[zeros(1,length(a)-length(b)) b]; poly2str(c,'x)
(4)基本二维绘图
1)向量绘图。
y1=sin(2*x);
y2=cos(2*x);
plot(x,y1)
plot(x,y2)
plot(x,y1,x,y2)
保持作图
plot(x,y1);hold on
plot(x,y2);hold off
矩阵作图
plot(x,[y1',y2'])
设定颜色和线形
plot(x,y1,'c:',x,y2,'ro')
多窗口绘图
subplot(221);plot(x,y1)
subplot(222);plot(x,y2)
subplot(223);plot(x,y1,x,y1+y2) subplot(224);plot(x,y2,x,y1-y2)
关闭图形窗口
close
2)函数绘图。
fplot('sin',[0 4*pi])
f='sin(x)';
fplot(f,[0 4*pi])
3.试验报告要求
按照上述步骤进行试验，并按照要求作的试验记录完成试验报告。