《控制工程基礎》
matlab**實驗指導書
邵陽學院機械與能源工程系機制教研室
2023年8月
目錄實驗一控制系統應用軟體學習使用及典型控制系統建模分析 1
實驗二一、二階系統時域特性分析 6
實驗三控制系統頻域特性分析 8
實驗四控制系統穩定性** 11
實驗五控制系統校正及pid** 15
實驗一控制系統應用軟體學習使用及典型控制系統建模分析
一、 實驗目的
1. 掌握matlab軟體使用的基本方法;
2. 熟悉matlab的資料表示、基本運算和程式控制語句;
3. 熟悉matlab程式設計的基本方法。
4. 學習用matlab建立控制系統模型。
二、 實驗原理
1. matlab的基本知識
matlab是矩陣實驗室(matrix laboratory)之意。matlab具有卓越的數值計算能力,具有專業水平的符號計算,文書處理,視覺化建模**和實時控制等功能。matlab的基本資料單位是矩陣,它的指令表示式與數學,與工程中常用的形式十分相似,故用matlab來解算問題要比用c,fortran等語言完相同的事情簡捷得多。
當matlab 程式啟動時,乙個叫做matlab 桌面的視窗出現了。預設的matlab 桌面結構如下圖所示。
在matlab 整合開發環境下,它整合了管理檔案、變數和用程式的許多程式設計工具。在matlab 桌面上可以得到和訪問的視窗主要有:
命令視窗(the command window):在命令視窗中,使用者可以在命令列提示符(>>)後輸入一系列的命令,回車之後執行這些命令,執行的命令也是在這個視窗中實現的。
命令歷史視窗(the command history window):用於記錄使用者在命令視窗(the command windows),其順序是按逆序排列的。即最早的命令在排在最下面,最後的命令排在最上面。
這些命令會一直存在下去,直到它被人為刪除。雙擊這些命令可使它再次執行。要在歷史命令視窗刪除乙個或多個命令,可以先選擇,然後單擊右鍵,這時就有乙個彈出選單出現,選擇delete section。
任務就完成了。
工作台視窗(workspace): 工作空間是matlab用於儲存各種變數和結果的記憶體空間。在該視窗中顯示工作空間中所有變數的名稱、大小、位元組數和變數型別說明,可對變數進行觀察、編輯、儲存和刪除。
當前路徑視窗(current directory browser)
matlab命令常用格式為: 變數=表示式
或直接簡化為: 表示式
通過「=」符號將表示式的值賦予變數,若省略變數名和「=」 號,則matlab自動產生乙個名為ans的變數。
變數名必須以字母開頭,其後可以是任意字母、數字或下劃線,大寫字母和小寫字母分別表示不同的變數,不能超過19個字元,特定的變數如:pi(=3.141596) 、inf(=∞)、nan(表示不定型求得的結果,如0/0)等不能用作它用。
表示式可以由函式名、運算子、變數名等組成,其結果為一矩陣,賦給左邊的變數。
matlab所有函式名都用小寫字母。matlab有很多函式,因此很不容易記憶。可以用幫助(help)函式幫助記憶,有三種方法可以得到matlab 的幫助。
最好的方法是使用幫助空間視窗(helpbrowser)。你可以單擊matlab 桌面工具欄上的圖示,也可以在命令視窗(the commandwindows)中輸入helpdesk 或helpwin 來啟動幫助空間視窗(help browser)。你可以通過瀏覽matlab 參考證書或搜尋特殊命令的細節得到幫助。
另外還有兩種運用命令列的原始形式得到幫助。
第一種方法是在matlab 命令視窗(the command windows)中輸入help 或help 和所需要的函式的名字。如果你在命令視窗(the command windows)中只輸入help,matlab 將會顯示一連串的函式。如果有乙個專門的函式名或工具箱的名字包含在內,那麼help 將會提供這個函式或工具箱。
第二種方法是通過lookfor 函式得到幫助。lookfor 函式與help 函式不同,help 函式要求與函式名精確匹配,而lookfor 只要求與每個函式中的總結資訊有匹配。lookfor 函式比help函式執行起來慢得多,但它提高了得到有用資訊的機會。
使用help函式可以得到有關函式的螢幕幫助資訊。
常用運算子及特殊符號的含義與用法如下:
+ 陣列和矩陣的加法
- 陣列和矩陣的減法
* 矩陣乘法
/ 矩陣除法
[ ] 用於輸入陣列及輸出量列表
( ) 用於陣列標識及輸入量列表
『 』 其內容為字串
, 分隔輸入量,或分隔陣列元素
; 1.分開矩陣的行
2. 在一行內分開幾個賦值語句
3.需要顯示命令的計算結果時,則語句後面不加「;」號,否則要加「;」號。
% 其後內容為注釋內容,都將被忽略,而不作為命令執行
… 用來表示語句太長,轉到第二行繼續寫
回車之後執行這些命令
舉例:矩陣的輸入
1 2 3
a= 4 5 6
7 8 9
矩陣的輸入要一行一行的進行,每行各元素用(,)或空格分開,每行用(;)分開。
matlab書寫格式為:
a=[1,2,3;4,5,6;7,8,9]
或a=[1 2 3 ;4 5 6 ;7 8 9]
回車之後執行程式可得到a矩陣
a = 1 2 3
4 5 6
7 8 9
需要顯示命令的計算結果時,則語句後面不加「;」號,否則要加「;」號。
執行下面兩種格式可以看出他們的區別
a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];
a = 1 2 3不顯示計算結果)
4 5 6
7 8 9
2. 系統建模
(1)系統的傳遞函式模型
系統的傳遞函式為:
對線性定常系統,式中s的係數均為常數,且a1不等於零,這時系統在matlab中可以方便地由分子和分母係數構成的兩個向量唯一地確定出來,這兩個向量可分別用變數名num和den表示。
num=[b1,b2,…,bm,bm+1]
den=[a1,a2,…,an,an+1]
注意:它們都是按s的降冪進行排列的。
舉例:傳遞函式:
輸入:>>num=[12,24,0,20],den=[2 4 6 2 2]
顯示:num = 12 24 0 20
den = 2 4 6 2 2
(2)模型的連線
1)併聯:parallel
格式: [num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)
%將併聯連線的傳遞函式進行相加。
舉例:傳遞函式:
輸入:>>num1=3;den1=[1,4];num2=[2,4];den2=[1,2,3];[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)
顯示:num = 0 5 18 25
den = 1 6 11 12
2) 串聯:series
格式: [num,den]=series(num1,den1,num2,den2)
%將串聯連線的傳遞函式進行相乘。
3) 反饋:feedback
格式: [num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2,sign)
%將兩個系統按反饋方式連線,系統1為物件,系統2為反饋控制器,系統和閉環系統均以傳遞函式的形式表示。sign用來指示系統2輸出到系統1輸入的連線符號,sign預設時,預設為負,即sign= -1。總系統的輸入/輸出數等同於系統1。
4) 閉環:cloop(單位反饋)
格式: [numc,denc]=cloop(num,den,sign)
%表示由傳遞函式表示的開環系統構成閉環系統,sign意義與上述相同。
三、 實驗儀器和用具
主要儀器裝置:
1. 電腦, 1臺/人
2. matlab軟體
3. 印表機
四、 實驗方法與步驟
1. 掌握matlab軟體使用的基本方法;
2. 用matlab產生下列系統的傳遞函式模型:
3. 系統結構圖如下所示,求其傳遞函式模型
4. 系統結構圖如下所示,傳遞函式模型
5. 系統結構圖如下所示,求其多項式傳遞函式模型
五、 實驗分析及結論
1. 記錄程式
2. 記錄與顯示給定系統數學模型
3. 完成上述各題
六、 注意事項
掌握matlab軟體使用的基本方法;用matlab產生系統的傳遞函式模型
七、 思考題
1. 怎樣使用matlab軟體?
2. 怎樣用matlab產生系統的傳遞函式模型?
實驗二一、二階系統時域特性分析
一、 實驗目的
1. 利用matlab對
一、二階系統進行時域分析。
2. 掌握一階系統的時域特性,理解時間常數t對系統效能的影響。
3. 掌握二階系統的時域特性,理解二階系統的兩個重要引數ξ和ωn 對系統動態特性的影響。
二、 實驗原理
1. matlab的基本知識
matlab為使用者提供了專門用於單位階躍響應並繪製其時域波形的函式step
階躍響應常用格式:
step(num,den)
或step(num,den,t) 表示時間範圍0~t。
或step(num,den,t1:p:t2) 繪出在t1~t2時間範圍內,且以時間間隔p均勻取樣的波形。
舉例:二階系統閉環傳函為繪製單位階躍響應曲線。
輸入:>> num=[2,5];den=[1,0.6,0.6];step(num,den)
顯示:2. 系統的單位階躍響應
3. 系統的動態效能指標
4. 教科書3.7節
三、 實驗儀器和用具
主要儀器裝置:
1. 電腦, 1臺/人
2. matlab軟體
3. 印表機
四、 實驗方法與步驟
1. 一階系統
t分別為0.2、0.5、1、5時單位階躍響應曲線
2. 二階系統
1)ωn=6, ξ分別為0.2、0.5、1時單位階躍響應曲線
2)ξ=0.7, ωn分別為2、4、12時單位階躍響應曲線
3)鍵入程式,觀察並記錄單位階躍響應曲線
4)記錄各響應曲線實際測取的峰值大小、峰值時間、超調量及過渡過程時間,並填表:
五、 實驗分析及結論
1. 完成上述各題完成上述各題
2. 記錄程式,觀察記錄單位階躍響應曲線
控制工程基礎》實驗指導書 新
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《控制工程基礎》實驗指導書2019
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