电气控制系统的MATLAB仿真实验指导书(3)

实验六 MATLAB在线性系统状态空间分析与设计中的应用

一、实验目的：

1、熟悉MATLAB在线性系统状态空间分析中的应用； 2、熟悉MATLAB在线性系统状态空间设计中的应用。

二、实验内容：

?1??0?1???x???x??0?u， 1、已知系统的状态方程如下：??2?3?????y??10?x?（1）利用MATLAB建立控制系统的数学模型，并求对角标准型数学模型；

（2）编程绘制上述系统的阶跃响应和冲激响应，并用李亚普诺夫法分析系统稳定性，其中Q为单位阵；

（3）练习使用LTIViewer工具，绘制系统的阶跃响应和冲激响应曲线；

（4）计算上述系统的能控矩阵和能观矩阵，判断系统的能控制和能观性，并进行能控性结构分解和能观性结构分解，写出能控和能观性分解后的矩阵； （5）求t=0.5s时状态转移矩阵。

2、给定系统 ?00???10?0???2?30??0? 0??x???u????x ?1?1??0?20??????4?12?4 ???2???y??3010?x?

（1）利用MATLAB建立控制系统的数学模型； （2）计算上述系统的传递函数；

（3）判断系统的可控性和可观性；如果不是完全可控或完全客观的，则计算其可控子空间维数和可观子空间维数（维数等于可控或可观性矩阵的秩）；

（4）计算系统的传递函数，根据传函计算系统的零极点，并判断系统的稳定性。 3、已知系统的开环传递函数为，

G(s)?20s3?4s2?3s（1）利用MATLAB建立上述控制系统的数学模型； （2）将得到的传函模型装换为状态空间模型；

（3）计算状态反馈矩阵，使闭环系统的极点位于-5和-2±2i； （4）绘制反馈前后系统的阶跃响应曲线。 4、已知倒立摆系统的状态空间方程如下：

?0???20.601?x?????0????0.4905???1y????0?1000000000010??0???1?0??x???u?0?1????0??0.5?0?x0??10

（1）利用M ATLAB建立上述控制系统的数学模型； （2）计算系统的可控性矩阵，判断系统是否完全能控；

（3）设计状态反馈矩阵，使闭环系统的极点位于p1,2??10,p3,4??2?23i。

三、实验预习要求：

1、复习现代控制理论中状态空间的分析与设计的相关知识。 2、对实验内容进行初步编程。

四、实验报告要求：

1、写出经调试后正确的程序。

2、自行编制的M文件，要求写出题目和程序。

3、总结与回顾编程和调试过程中遇到的问题及解决的方法。

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实验七 MATLAB/Simulink在控制器参数整定中的应用

一、实验目的：

1、熟悉在MATLAB/Simulink下对控制器参数进行整定；

二、实验内容：

11、已知控制系统的开环传递函数为 s(s?1)(s?5)

用临界比例度法计算系统P、PI、PID控制器的参数，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线。

再尝试用衰减曲线法和Z-N法整定控制器参数。

2、自行建立系统模型，并采用不同仿真方法进行参数整定，熟练掌握参数整定过程。

三、实验预习要求：

1、复习控制器参数整定的相关知识。

四、实验报告要求：

1、熟练掌握控制器参数整定过程及整定方法。 2、对系统进行参数整定结果进行分析。

3、总结与回顾控制器参数整定过程中遇到的问题及解决的方法。

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实验八 MATLAB/Simulink在过程控制中的应用

一、实验目的：

1、熟悉用MATLAB/Simulink建立过程控制系统数学模型并进行仿真。

二、实验内容：

1、某隧道窑炉串级控制系统如图，其中主控制器是PI控制器，参数为比例系数8.4，积分系数为0.5，副控制器为P控制器，参数为10，step3和step4分别为系统的一次和二次扰动，用Simulink建立该系统数学模型，并求无扰动和加入扰动后的系统单位阶跃响应，以及系统分别在一次扰动和二次扰动作用下的系统输出响应。仿真时间为100s。

2、某比值控制系统如图，主动量和从动量的比值关系为4，两个延迟环节的延迟时间均为5s在Simulink下建立该系统数学模型，其中PID controller参数为比例系数0.3，积分系数0.02，PID controller1参数为比例系数0.35，积分系数0.012，仿真时间150s，（1）求系统在无干扰时主动量和从动量的阶跃响应，（2）求系统在有不确定干扰时主动量和从动量的阶跃响应。

3、自行建立过程控制中的不同系统模型并进行相应的仿真。

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三、实验预习要求：

1、复习过程控制系统中常见的控制方法。 2、复习SIMULINK建模与仿真。

四、实验报告要求：

1、建立过程控制系统模型并进行仿真。 2、对仿真结果进行分析。

3、总结系统建模仿真与结果分析中遇到的问题及解决的方法。

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