1、控制系統CAD及數字仿真實驗指導書控制系統CAD及數字仿真實驗指導書 自動化系目 錄第一章 前言. .2第二章 控制系統CAD及數字仿真實驗1數據處理方法的MATLAB實現.42控制系統建模的MATLAB實現.53PID校正設計的MATLAB實現.64微分方程的Simulink仿真. .75S函數的編寫和Simulink仿真. . . . .96圖像處理系統的算法和界面設計. . . .10第一章 前 言本實驗課程是與學科基礎選修課程控制系統CAD及數字仿真相配合的實踐課程。作為聯系自動控制理論、自動控制系統設計、課程設計、畢業設計等教學環節的仿真技術類課程，其不僅可以使學生加強課程的學習效果

2、，而且還可為學生在畢業設計中提供一個強有力的工具，有效加強教學中的實踐性教學環節，提高學生的獨立工作能力和創造性思維能力。開設本課程的目的，主要是培養學生運用MATLAB語言進行編程和仿真的能力，為今后從事科研工作和與專業有關的工程技術工作打好基礎。一、上機實驗要求1、要求學生熟悉MATLAB中的控制系統工具箱與SIMULINK軟件包。2、能根據有關控制算法，編寫有關的MATLAB程序。3、能對實驗結果進行分析和討論，得到相關的實驗結論。二、上機實驗的基本程序：1、明確實驗任務。2、提出實驗方案。3、編制有關的MATLAB程序或利用SIMULINK工具建立系統的仿真模型。4、進行實驗操作，作好

3、觀測和記錄，保存有關的實驗數據。5、整理實驗數據，得出結論，撰寫實驗報告。在進行上機實驗時，上述程序應讓學生獨立完成，教師給予必要的指導，以培養學生的動手能力。要做好各個上機實驗，就應做到：實驗前做準備，實驗中有條理，實驗后勤分析。實驗一 數據處理方法的MATLAB實現一、實驗目的學會在MATLAB環境下對已知的數據進行處理。二、實驗方法1. 求取數據的最大值或最小值。2. 求取向量的均值、標準方差和中間值。3在MATLAB環境下，對已知的數據分別進行曲線擬合和插值。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL S

4、YSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容1在MATLAB環境下，利用MATLAB控制系統工具箱中的函數直接求取數據的最大值或最小值，以及向量的均值、標準方差和中間值。2在MATLAB環境下，選擇合適的曲線擬合和插值方法，編寫程序，對已知的數據分別進行曲線擬合和插值。x0.011.012.013.014.01y2.54377.88849.624211.670111.9727x5.016.017.018.019.01y13.218914.267914.613415.404515.0805五、實驗步驟 1. 在MATLAB環境下，將已知的數據存到數據文件mydat.dat中。2. 然后用load命

5、令從數據文件mydat.dat中把數據調到MATLAB的工作空間中來。3. 在MATLAB環境下，利用MATLAB控制系統工具箱中的函數直接求取數據的最大值或最小值，以及向量的均值、標準方差和中間值。4. 在MATLAB環境下，編寫程序，對已知的數據進行曲線擬合和插值。 六、問題與討論1、曲線擬合和插值有什么區別？常用的曲線擬合和插值方法有哪幾種，如何用MATLAB函數實現？2、對數據進行處理有什么實際意義？ 3、談談實驗體會。實驗二 控制系統建模的MATLAB實現一、實驗目的學會在MATLAB環境下對控制系統進行建模。二、實驗方法1.線性控制系統的建模和模型間的相互轉換。采用tf()、ss(

6、)等函數建立子系統模型，可以采用ss2tf()、tf2ss()等函數來實現模型間的相互轉換。采用feedback()、series()等函數進行子系統間的連接。2.利用BP神經網絡對非線性系統進行建模。研究MATLAB環境下，BP神經網絡建立、訓練和仿真的方法；利用BP神經網絡實現對非線性系統的建模。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容1定擺長起重機運動控制系統動態結構圖如下圖所示，其中，小車的質量，吊重質量，繩長，摩擦阻尼系數為，重力加速度取。在MATLAB環

7、境下對定擺長起重機運動控制系統進行建模。 2基于BP網絡的肼與過氧化氫反應過程的建模利用BP神經網絡技術模擬肼與過氧化氫的反應過程，以尋找最佳反應條件， 用于處理肼類廢水。實驗數據如下表所示：五、實驗步驟 1. 在MATLAB環境下，首先用tf()函數建立起重機運動控制系統中子系統的模型，然后用feedback()函數建立起重機運動控制系統的模型。2. 在MATLAB環境下，編寫程序進行BP神經網絡的創建。3. 在MATLAB環境下，編寫程序利用肼與過氧化氫反應過程的數據對BP神經網絡進行訓練。4. 在MATLAB環境下，編寫程序對BP神經網絡進行測試。 六、問題與討論1、控制系統建模的基本方

8、法有哪些？采用機理模型法的前提是什么？2、實驗中，所建立BP網絡的主要參數有哪些，參數設置為多少？ 3、談談實驗體會。實驗三 PID校正設計的MATLAB實現一、實驗目的學會在MATLAB環境下編寫程序來研究PID控制系統中參量、變化時對于系統校正作用的影響；學會編寫程序分別用Ziegler-Nichols整定公式和穩定邊界法整定公式計算系統 P、PI和PID調節器參數。二、實驗方法1. 研究比例控制作用：編寫程序研究在不同的值下，閉環系統的單位階躍響應曲線。2. 研究積分控制作用：令，編寫程序研究在不同的值下, 閉環系統的單位階躍響應曲線。3. 研究微分控制作用：令，編寫程序分別研究在不同的

9、值下, 閉環系統的單位階躍響應曲線。4. 編寫程序調用wendingPID.m函數，實現用穩定邊界法整定公式計算系統 P、PI和PID調節器參數。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容1已知一過程控制系統如下圖所示,其中，試分析系統調節器分別采用比例、積分、微分控制對系統的影響。2. 對上述系統，用穩定邊界法函數計算系統調節器用作P、PI、PID校正時的參數,并給出系統的階躍響應曲線。五、實驗步驟 1. 在MATLAB環境下，編寫函數wendingPID.m。2.

10、 編寫有關程序，分析實驗結果。 六、問題與討論1、分析比例、積分、微分控制對系統的影響？2、什么是穩定邊界法？如何用穩定邊界法進行PID校正設計？3、談談實驗體會。實驗四 微分方程的Simulink仿真一、實驗目的了解MATLAB的SIMULINK圖形仿真環境下仿真模型的搭建方法；掌握SIMULINK下模型參數和仿真參數的設置方法；學習SIMULINK封裝技術子系統。二、實驗方法1.在MATLAB的SIMULINK圖形仿真環境下建立起描述該微分方程的模型。2.對有關模塊的參數進行設置后，啟動仿真，給出仿真結果。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2

11、MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容1考慮Van der Pol方程, 其中, 初始值為，。用Simulink搭建系統的仿真模型，如下所示。2考慮簡單的線性微分方程：且方程的初始值為 ，用Simulink搭建系統的仿真模型。五、實驗步驟 1. 在MATLAB環境下，建立Van der Pol方程的仿真模型。2. 設置仿真模型的有關參數后，進行仿真，給出仿真結果。3. 在MATLAB環境下，建立簡單的線性微分方程的仿真模型。4. 設置仿真模型的有關參數后，進行仿真，給出仿真結果。 六、問題與討論1、在將微分方程轉換為Simulink模型時，必須使

12、用什么模塊？2、在Simulink模塊下，如果想改變系統的輸出方式，同時繪制兩條曲線，可以使用什么模塊將兩路信號混合成一路？ 3、談談實驗體會。實驗五 S函數的編寫和Simulink仿真一、實驗目的掌握用MATLAB語言編寫S函數的方法。學習S-Function塊在Simulink模型中的使用方法。二、實驗方法基于M文件S-Function的模板sfuntmpl.m來編寫S函數，實現Simulink模塊庫的擴展。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7.0及以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容1采用S函數實

13、現模塊y=nx，即模塊的功能是把一個輸入信號n倍以后再輸出。（1）編寫S函數timesn.m。%S 函數 timesn.m，其輸出是輸入的 n 倍%*function sys,x0,str,ts=timesn(t,x,u,flag,n)switch flag,case 0 %初始化sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case 3 %計算輸出量sys=mdlOutputs(t,x,u,n);case 1,2,4,9 %未使用的 flag 值sys=;otherwise %出錯處理error(Unhandle flag=,num2str(flag);end%*%mdl

14、InitializeSizes：當 flag 為 0 時進行整個系統的初始化%*2function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes(T)%調用函數 simsizes 以創建結構體 sizessizes=simsizes;%用初始化信息填充結構體 sizessizes.NumContStates=0; sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=1; sizes.NumInputs=1; sizes.DirFeedthrough=1; sizes.NumSampleTimes=1; %根據上面的設置設定系統初始化參數sys=si

15、msizes(sizes);%給其他返回參數賦值。x0=; str=; ts=-1,0; %初始化子程序結束%*%mdlOutputs：當flag 值為 3 時，計算輸出量%*function sys=mdlOutputs(t,x,u,n)sys=n*u;%輸出量計算子程序結束。（2）在Simulink環境下搭建以下仿真模型，進行模塊的測試。2. 采用S函數來構造非線性分段函數。（1）編寫S函數function sys,x0,str,ts=sfunction(t,x,u,flag)switch flag,case 0,sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case

16、3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case 1,2,4,9sys=;otherwiseerror(Unhandled flag=,num2str(flag);endfunctionsys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes= simsizes;sizes.NumContStates= 0;sizes.NumDiscStates= 0;sizes.NumOutputs= 1;sizes.NumInputs= 1;sizes.DirFeedthrough= 1;sizes.NumSampleTimes= 1;sys=simsizes(sizes);x0

17、=;str=;ts=0 0;function sys=mdlOutputs(t,x,u)（2）在Simulink環境下搭建以下仿真模型，進行模塊的測試。五、實驗步驟1. 在MATLAB環境下，編寫S函數實現Simulink模塊。2. 在Simulink環境下搭建仿真模型，進行仿真。六、問題與討論1、談談S函數的作用和編寫方法？2、如何在Simulink環境中運行S-Function模塊？ 3、談談實驗體會。實驗六 圖像處理系統的算法和界面設計一、實驗目的掌握圖像處理的基本算法，包括圖像的讀寫、顯示；圖像的類型轉換、圖像的幾何操作；圖像的添加噪聲；圖像的平滑與濾波等。了解MATLAB環境下界面設計的基本方法。二、實驗方法在可視化界面開發環境Guide中進行圖像處理系統的界面設計，并添加圖像處理的有關程序。三、實驗設備1586以上微機，16M以上