控制工程基础教案实验1典型环节的模拟(matlab应用于机械控制工程)
机械工程控制基础MATLAB分析与设计仿真实验报告
机械工程控制基础MATLAB分析与设计仿真实验报告一、实验目的：1.学习并掌握MATLAB软件的基本使用方法；2.了解机械工程控制的基本概念和理论知识；3.分析并设计机械工程控制系统的仿真模型。
二、实验内容：1.使用MATLAB软件绘制机械工程控制系统的block图；2.使用MATLAB软件进行机械工程控制系统的数学建模和仿真；3.使用MATLAB软件对机械工程控制系统进行性能分析和优化设计。
三、实验步骤：1.打开MATLAB软件，并创建一个新的m文件；2.根据机械工程控制系统的控制原理，绘制系统的block图；3.根据系统的block图，使用MATLAB软件进行数学建模，并编写相应的代码；4.对机械工程控制系统进行仿真，并分析仿真结果；5.根据仿真结果，优化系统参数，并重新进行仿真。
四、实验结果分析：通过对实验步骤的操作，我们得到了机械工程控制系统的仿真结果。
根据仿真结果，我们可以对系统的性能进行分析和评估。
通过与系统要求相比较，可以发现系统存在响应速度较慢、稳态误差较大等问题。
在实验中，我们根据分析结果对系统进行了优化设计，并重新进行了仿真。
优化设计的目标是改善系统的性能，使其更接近于理想的控制效果。
通过对系统的参数进行调整和调节，我们成功地改善了系统的性能。
五、实验总结：通过本次实验，我们学习了MATLAB软件的基本使用方法，并了解了机械工程控制的基本概念和理论知识。
我们通过对机械工程控制系统的仿真，实现了对系统性能的分析和优化设计。
在实验过程中，我们遇到了一些问题，例如如何选择合适的参数和调节控制量等。
通过查阅相关资料和与同学的交流讨论，我们成功地解决了这些问题，同时加深了对机械工程控制的理解。
通过本次实验，我们不仅掌握了MATLAB软件的基本使用方法，还加深了对机械工程控制的理解。
这对我们今后从事相关工作和开展相关研究都具有重要的指导和帮助作用。
机械工程控制基础实验指导书
《机械工程控制基础》实验指导书青岛科技大学前言机械工程控制基础是针对过程装备与控制工程专业而开设的一门专业基础课，主要讲解自动控制原理的主要内容，是一门理论性较强的课程，为了帮助学生学好这门课，能够更好的理解理论知识，在课堂教学的基础上增加了该实验环节。
《机械工程控制基础》实验指导书共编写了4个实验，有实验一、典型环节模拟研究实验二、典型系统动态性能和稳定性分析实验三、控制系统的频率特性分析实验四、调节器参数对系统调节质量的影响《机械工程控制基础》实验指导书的编写主要依据“控制工程基础”教材的内容，结合本课程教学大纲的要求进行编写。
利用计算机和MATLAB程序完成实验。
注：1）每个实验的实验报告均由5部分组成，最后一部分“实验数据分析”或“思考题”必须写。
2）每个实验所记录的图形均需标出横轴和纵轴上的关键坐标点。
目录实验一典型环节模拟研究 (4)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (7)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验三控制系统的频率特性分析 (9)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验四调节器参数对系统调节质量的影响 (11)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求附录一：MATLAB6.5的使用 (13)实验一典型环节模拟研究一、实验目的1．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线2．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验要求1．观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线2．观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响，测试并记录相应的曲线三、实验原理1．惯性环节（一阶环节），如图1-1所示。
(a) 只观测输出曲线(b) 可观测输入、输出两条曲线图1-1 惯性环节原理图2．二阶环节，如图1-2所示。
或图1-2 二阶环节原理图3．积分环节，如图1-3所示。
实验一典型环节的MATLAB仿真
实验一典型环节的MATLAB仿真一、实验目的1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。
1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter 键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。
2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。
3．在simulink仿真环境下，创建所需要的系统。
以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：1）进入线性系统模块库，构建传递函数。
点击simulink下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。
图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图2）改变模块参数。
在simulink 仿真环境“untitled ”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。
其中方括号的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK ，即完成该模块的设置。
3）建立其它传递函数模块。
按照上述方法，在不同的simulink 的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。
例：比例环节用“Math ”右边窗口“Gain ”的图标。
4）选取阶跃信号输入函数。
用鼠标点击simulink 下的“Source ”，将右边窗口中“Step ”图标用左键拖至新建的“untitled ”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。
5）选择输出方式。
机械工程控制基础 Matlab仿真实验报告
Matlab仿真实验报告
学院:机电学院
班级:机械096班
**ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ****
学号:*******323
仿真一
输入信号阶跃信号输出信号
分析这是一个开环系统，输入信号是阶跃信号，传递函数的阶数是二阶，特征方程是
s^2+2*s+0.5=0
特征根为-1 ,是两个非实数，所以不会出现震荡，应该接近于输入信号，最终达到稳定，于是输出信号如右图
仿真二
输入信号正弦信号输出信号
分析这是一个开环系统，输入信号是正弦信号，传递函数的阶数是二阶，特征方程是
s^2+2*s+0.5=0
特征根为-1 ,是两个非实数，所以不会出现震荡，应该接近于输入信号，且出现一个增益环节，使幅值变大，于是输出信号如右图
仿真三
输入信号正弦信号输出信号
分析该系统输入信号为正弦信号，传递函数为一阶，传递函数为 ，幅值增大了1.5倍，而且T=2，经过4个T之后就会和输入信号的幅值的3倍相同，于是输出信号如右图
仿真六
输入信号阶跃信号输出信号
分析：系统由比例环节、一阶微分环节、三阶震荡环节组成，其中三阶震荡环节使幅值变为 =1/3，比例环节使幅值扩大三倍，故幅值没变。分子使相位增加90度，分母使相位减小270度，所以相位减小180度。于是经过180度达到相同的幅值。于是输出信号如右图。
仿真七
输入信号阶跃信号输出信号
仿真四
输入信号阶跃信号输出信号
该系统输入信号为正弦信号，传递函数为一阶，传递函数为 ，输出信号的幅值增大了2倍，且初始斜率为1/2，而且T=2，经过4个T之后就会和输入信号的幅值的2倍相同，
于是输出信号如右图。
控制工程基础教案实验1典型环节的模拟(matlab应用于机械控制工程)
G12=G1+G2%并联结构
G34=G3-G4%并联结构
G=feedback(G12,G34,-1)%反馈结构
4.复杂的结构框图
求取复杂结构框图的数学模型的步骤：
(1)将各模块的通路排序编号；
(2)建立无连接的数学模型：使用append命令实现各模块未连接的系统矩阵。
G=append(G1,G2,G3,…)
表61线性系统模型转换函数表函数调用格式功能tf2ssabcdtf2ssnumden传递函数转换为状态空间tf2zpzpktf2zpnumden传递函数转换为零极点描述ss2tfnumdenss2tfabcdiu状态空间转换为传递函数ss2zpzpkss2zpabcdiu状态空间转换为零极点描述zp2ss零极点描述转换为状态空间zp2tfnumdenzp2tfzpk零极点描述转换为传递函数get命令和set命令get命令可以获取模型对象的所有属性语法
如果各模块都使用传递函数，也可以用blkbuild命令建立无连接的数学模型，则第二步修改如下：
将各通路的信息存放在变量中：通路数放在nblocks，各通路传递函数的分子和分母分别放在不同的变量中；用blkbuild命令求取系统的状态方程模型。
【例6.7】根据图6.5所示系统结构框图，求出系统总的传递函数。
线性控制系统分析与设计
6.1.2传递函数描述法
MATLAB中使用tf命令来建立传递函数。
语法：
G=tf(num,den)%由传递函数分子分母得出
说明：num为分子向量，num=[b1,b2,…,bm,bm+1]；den为分母向量，den=[a1,a2,…,an-1,an]。
【例6.1续】将二阶系统描述为传递函数的形式。
自动实验一——典型环节的MATLAB仿真报告
自动实验一——典型环节的MATLAB仿真报告引言：典型环节的MATLAB仿真是一种常见的模拟实验方法，通过使用MATLAB软件进行建模和仿真，可以有效地研究和分析各种复杂的物理系统和控制系统。
本报告将介绍一个典型环节的MATLAB仿真实验，包括实验目的、实验原理、实验步骤、实验结果和讨论等内容。
一、实验目的本实验旨在通过MATLAB仿真实验，研究和分析一个典型环节的动态特性，深入了解其响应规律和控制方法，为实际系统的设计和优化提供理论支持。
二、实验原理典型环节是控制系统中的重要组成部分，一般包括惯性环节、惯性耦合和纯滞后等。
在本实验中，我们将重点研究一个惯性环节。
惯性环节是一种常见的动态系统，其特点是系统具有自身的动态惯性，对输入信号的响应具有一定的滞后效应，并且在输入信号发生变化时有一定的惯性。
三、实验步骤1.建立典型环节的数学模型。
根据实际情况，我们可以选择不同的数学模型描述典型环节的动态特性。
在本实验中，我们选择使用一阶惯性环节的传递函数模型进行仿真。
2.编写MATLAB程序进行仿真。
利用MATLAB软件的控制系统工具箱，我们可以方便地建立惯性环节的模型，并利用系统仿真和分析工具进行仿真实验和结果分析。
3.进行仿真实验。
选择合适的输入信号和参数设置，进行仿真实验，并记录仿真结果。
4.分析实验结果。
根据仿真结果，可以分析典型环节的动态响应特性，比较不同输入信号和控制方法对系统响应的影响。
四、实验结果和讨论通过以上步骤，我们成功地完成了典型环节的MATLAB仿真实验，并获得了仿真结果。
通过对仿真结果的分析，我们可以得到以下结论：1.惯性环节的响应规律。
惯性环节的响应具有一定的滞后效应，并且对输入信号的变化具有一定的惯性。
随着输入信号的变化速度增加，惯性环节的响应时间呈指数级减小。
2.稳态误差与控制增益的关系。
控制增益对稳态误差有重要影响，适当调整控制增益可以减小稳态误差。
3.不同输入信号的影响。
《机械工程控制基础》课程设计：MATLAB软件基本操作
3.Simulink软件包可用来对动态系统进行建模，仿真和分析。Simulink采用模块和图表组成系统的结构图模型。这种图形界面与《自动控制原理》中的传递函数动态框图非常相似，同时采用类似于电子示波器的模块显示仿真曲线。
Simulink使用：
1.开启Simulink窗口及模块库
K=5;
GS1=tf([K],[1 0]);
GS2=tf([1],[1 1]);
GS3=tf([1],[0.5 1]);
G0S=GS1*GS2*GS3;
margin(G0S);
phi=-180+40+12
phi =
-128
[mag,phase,w]=bode(G0S,[0.462 0.464 0.466])
else
disp('System is not observable')
end
Q =
[ 0, 0, 1, 0]
[ 0, 0, c, 0]
[ 0, 0, c^2, 0]
[ 0, 0, c^3, 0]
rank =
1
n =
4
System is not observable
8-24
A=[1 0.1;0 1];B=[0.005;0.1];
4．掌握MATLAB辅助的超前-滞后校正器设计
二：实验主要内容及过程
5-9-1
K=20;
G0S=tf([K],[0.5 1 0]);
margin(G0S);
phi=50-18+6
a=(1+sin(phi*pi/180))/(1-sin(phi*pi/180))
phi =
38
《机械工程控制基础》MATLAB分析与设计_仿真实验报告
《机械工程控制基础》MATLAB分析与设计仿真实验报告《机械工程控制基础》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014）一、仿真实验内容及要求1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MA TLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。
2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。
2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5；∙ 利用MA TLAB 绘制教材第四章习题4-5；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。
3）第五章 线性系统的频域分析法∙ 利用MA TLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正∙ 利用MA TLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；∙ 利用MA TLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD 控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。
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num=1;
den=[1 1.414 1];
G=tf(num,den);
get(G)%获取所有属性
set(G,'den',[1 2 1],'Variable','s')%设置属性
G
6.3结构框图的模型表示
1.串联结构
SISO的串联结构是两个模块串联在一起，如图6.1所示。
num=1;
den=[1 1.414 1];
G=tf(num,den)%得出传递函数
6.1.3零极点描述法
MATLAB中使用zpk命令可以来实现由零极点得到传递函数模型。
语法：
G=zpk(z,p,k)%由零点、极点和增益获得
说明：z为零点列向量；p为极点列向量；k为增益。
【例6.1续】得出二阶系统的零极点，并得出传递函数。
方法一：使用append命令
(1)将各模块的通路排序编号，如图6.6所示。
(2)使用append命令实现各模块未连接的系统矩阵
G1=tf(1,[1 0]);
G2=tf(1,[1 1 0]);
G3=tf(1,[1 1 0]);
G4=tf(-2,1);
G5=tf(-1,1);
G6=tf(1,[1 0]);
线性控制系统分析与设计
6.1.2传递函数描述法
MATLAB中使用tf命令来建立传递函数。
语法：
G=tf(num,den)%由传递函数分子分母得出
说明：num为分子向量，num=[b1,b2,…,bm,bm+1]；den为分母向量，den=[a1,a2,…,an-1,an]。
【例6.1续】将二阶系统描述为传递函数的形式。
语法：
get(G)%获取对象的所有属性值
get(G,’PropertyName’,…)%获取对象的某些属性值
说明：G为模型对象名；’PropertyName’为属性名。
(2) set命令用于修改对象属性名
语法：
set(G,’PropertyName’,PropertyValue,…) %修改对象的某些属性值
如果各模块都使用传递函数，也可以用blkbuild命令建立无连接的数学模型，则第二步修改如下：
将各通路的信息存放在变量中：通路数放在nblocks，各通路传递函数的分子和分母分别放在不同的变量中；用blkbuild命令求取系统的状态方程模型。
【例6.7】根据图6.5所示系统结构框图，求出系统总的传递函数。
G=feedback(G1,G2,Sign)
说明：Sign用来表示正反馈或负反馈，Sign=-1或省略则表示为负反馈。
【例6.6】根据系统的结构框图求出整个系统的传递函数，结构框图如图6.4所示，其中，，，。
G1=tf(1,[1 2 1])
G2=tf(1,[1 1]);
G3=tf(1,[2 1]);
2 1 7;%通路2的输入信号为通路1和通路7
3 2 0;%通路3的输入信号为通路2
4 3 0;
5 4 0;
6 2 0;
7 3 0;]
INPUTS=1;%系统总输入由通路1输入
OUTPUTS=4;%系统总输出由通路4输出
程序分析：Q矩阵建立了各通路之间的关系，共有7行；每行的第一列为通路号，从第二列开始为各通路输入信号的通路号；INPUTS变量存放系统输入信号的通路号；OUTPUTS变量存放系统输出信号的通路号。
G4=tf(1,[1 0]);
G12=G1+G2%并联结构
G34=G3-G4%并联结构
G=feedback(G12,G34,-1)%反馈结构
4.复杂的结构框图
求取复杂结构框图的数学模型的步骤：
(1)将各模块的通路排序编号；
(2)建立无连接的数学模型：使用append命令实现各模块未连接的系统矩阵。
G=append(G1,G2,G3,…)
[z,p,k]=ss2zp(a,b,c,d,iu)
状态空间转换为零极点描述
zp2ss
[a,b,c,d]=zp2ss(z,p,k)
零极点描述转换为状态空间
zp2tf
[num,den]=zp2tf(z,p,k)
零极点描述转换为传递函数
2. get命令和set命令
(1) get命令可以获取模型对象的所有属性
G7=tf(-1,[1 1]);
Sys=append(G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7)
程序分析：将每个模块用append命令放在一个系统矩阵中，可以看到Sys模块存放了七个模块的传递函数，为了节省篇幅在此未列出完整的Sys模块。
(3)指定连接关系
Q=[1 6 5;%通路1的输入信号为通路6和通路5
(3)指定连接关系：写出各通路的输入输出关系矩阵Q，第一列是模块通路编号，从第二列开始的几列分别为进入该模块的所有通路编号；INPUTS变量存储输入信号所加入的通路编号；OUTPUTS变量存储输出信号所在通路编号。
(4)使用connect命令构造整个系统的模型。
Sys=connect(G,Q,INPUTS,OUTPUTS)
实现串联结构传递函数的命令：
G=G1*G2
G=series(G1,G2)
2.并联结构
SISO的并联结构是两个模块并联在一起，如图6.2所示。
实现并联结构传递函数的命令：
G=G1+G2
G=parallel(G1,G2)
3.反馈结构
反馈结构是前向通道和反馈通道模块构成正反馈和负反馈，如图6.3所示。
实现反馈结构传递函数的命令：
3.零极点增益描述法
离散系统的零极点增益用zpk命令实现。
语法：
G=zpk(z,p,k,Ts)%由零极点得出脉冲传递函数
【例6.2续】使用zpk命令产生零极点增益传递函数。
G3=zpk([0],[0.5 1],0.5,-1)
6.2线性系统模型之间的转换
6.2.1连续系统模型之间的转换
控制系统工具箱中有各种不同模型转换的函数，如下表6.1所示为线性系统模型转换的函数。
脉冲传递函数也可以用tf命令实现。
语法：
G=tf(num,den,Ts)%由分子分母得出脉冲传递函数
说明：Ts为采样周期，为标量，当采样周期未指明可以用-1表示，自变量用'z'表示。
【例6.2续】创建离散系统脉冲传递函数。
num1=[0.5 0]den,-1)
(4)使用connect命令构造整个系统的模型
G =connect(Sys,Q,INPUTS,OUTPUTS)
z=roots(num)
p=roots(den)
zpk(z,p,1)
程序分析：roots函数可以得出多项式的根，零极点形式是以实数形式表示的。
部分分式法是将传递函数表示成部分分式或留数形式：
【例6.1续】将传递函数转换成部分分式法，得出各系数。
[r,p,k]=residue(num,den)
2.脉冲传递函数描述法
表6.1线性系统模型转换函数表
函数
调用格式
功能
tf2ss
[a,b,c,d]=tf2ss(num,den)
传递函数转换为状态空间
tf2zp
[z,p,k]=tf2zp(num,den)
传递函数转换为零极点描述
ss2tf
[num,den]=ss2tf(a,b,c,d,iu)
状态空间转换为传递函数
ss2zp