控制工程实验教学指导书[1].doc

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1、控制工程基础实验指导书汤炳新傅　雯李向国梅志千编著河海大学机电工程学院二00七年四月前言《控制工程基础》是机电、热动等相关专业的一门重要的技术基础课程。《控制工程基础》特点是概念性强而且抽象，此外，计算量大而且繁琐。这就需要在进行教学得同时，能够安排一些实验。例如，在数字计算机上借助系统分析软件做一些仿真并结合机电伺服系统的实验，以弥补理论学习的不足。实践证明，这对于加深概念理解，简化计算过程是有益的。由TheMathWorks公司研制并发布的系统数值科学分析软件MATLAB/SIMULINK是一个被广泛应用的教学科研软件。它既

2、有强大的控制系统仿真函数和工具，又有执行基于PC平台的实际控制实验所需的实时环境。它集所有矩阵问题及其计算于一身，易于理解掌握，并可很方便地进行开发扩充，计算效率极高。MATLAB/SIMULINK大量被应用到科研、教学、工程之中的一个及其重要的因素是它有适合多种用途的工具箱（Toolbox）和系统动态仿真库，即提供具有特定应用能力的函数库，例如SIGNAL（信号处理）、IDENT（系统辨识）、NNET（神经网络）、ROBUST（鲁棒控制）、OPTIM（最优化）、CONTROL（系统控制）等。其中CONTROL工具箱就是利用MA

3、TLAB的矩阵函数，主要以M文件来表示的有关控制系统算法的集合。利用它可实现控制系统的设计、分析和建模，控制系统可以以传递函数或状态空间形式来描述。时间可以是连续的，也可以是离散的。时间、频率响应或根轨迹都可以计算并绘图表示，可以进行极点配置、最优控制和估计等。本书共分八章。其中第一章至第七章是关于《自动控制原理》的仿真实验，章节安排基本上与《自动控制原理》的章节一致。第八章是关于SIMULINK的应用，包括SIMULINK和运行于xPCTarget下的倒立摆实验平台的介绍及若干电机——小车控制实验。由于水平有限且时间仓促，缺点

4、和错误在所难免，欢迎批评指正。编者二○○七年四月目录第一章MATLAB构造及其使用过程1一.MATLAB构造1二.CONTROL工具箱构成3三.MATLAB的使用过程4第二章自动控制系统数学模型的建立6一.实验目的6二.一些常用的MATLAB系统建模命令6三.例子7四.系统建模仿真实验内容10第三章时域分析11一.实验目的11二.一些常用的MATLAB系统时域分析命令11三.例子12四.时间响应仿真实验内容13第四章根轨迹法14一.实验目的14二.一些常用的MATLAB系统根轨迹分析命令14三.例子15四.根轨迹仿真实验内容16

5、第五章频率分析法17一.实验目的17二.一些常用的MATLAB系统频率分析命令17三.例子20四.频率响应分析仿真实验内容23第六章离散控制系统24一.实验目的24二.一些常用的MATLAB离散控制系统分析命令24三.例子26四.离散控制系统仿真实验内容33第七章控制系统的设计和校正34一.实验目的34二.控制系统的设计和校正实验内容34第八章SIMULINK的应用35一.SIMULINK简介35二.xPCTarget简介35三.实验装置介绍37四.小车位置PID控制实验38五.伺服电机速度控制方式传递函数验证实验43六.伺服电

6、机——小车传递函数测定实验45七.小车控制系统设计、仿真和实施47附录1控制柜使用说明48附录2MATLAB7.0安装要点49附录3xPCTarget命令参考51第一章MATLAB构造及其使用过程随着科学技术的发展，今天，无论在工程控制、图像语音处理，还是在信号处理等其他领域中，都需要大量的数学运算，尤其是矩阵运算。这就无形中增加了人们解决问题的工作量。由MathWorks公司研制并发布的系统数值科学分析软件MATLAB（MATRIXLABORATORY），集所有矩阵问题及其计算于一身，易于理解掌握，并可很方便地进行开发扩充，计

7、算效率极高，不失为一个高效的科研和教学的助手。一.MATLAB构造MATLAB提供了几乎所有的基本数学运算功能，含有丰富的基本数学函数，其函数形式与大多数通用计算机语言一样，如平方根用sqrt(x)表示，对数用log(x)表示等。MATLAB可以很方便地直接求解方程，如求方程的根，只要把对应阶次的系数按降次写成向量(p=[1-55-1])，再用求根函数roots(p)即可得出3个根，见图1。同时数据的格式、有效位数、字体等都可通过Options菜单来加以选择。图1除了基本数学运算功能外，MATLAB功能真正强大之处在于它的矩阵运

8、算能力，如矩阵的加减乘除、行列式计算、三角分解、正交变换、奇异分解、范数的运算等。因此MATLAB特别适用于如控制论、系统论、通信工程、图像处理等需要进行大量矩阵计算的领域。图2和图3显示了一些基本的矩阵运算功能，如矩阵求逆(inv(x))，求矩阵的特征值(ei