《控制系统CAD及仿真》实验指导书
自动化学院
自动化系
实验一SIMULINK 基础与应用
一、
实验目的
1、熟悉并掌握Simulink 系统的界面、菜单、工具栏按钮的操作方法；
2、掌握查找Simulink 系统功能模块的分类及其用途，熟悉Simulink 系统功能模块的操作方法；
3、掌握Simulink 常用模块的内部参数设置与修改的操作方法；
4、掌握建立子系统和封装子系统的方法。
二、
实验内容：
1. 单位负反馈系统的开环传递函数为：
1000
()(0.11)(0.0011)
G s s s s =
++
应用Simulink 仿真系统的阶跃响应曲线。
2．PID 控制器在工程应用中的数学模型为：
1
()(1)()d p i d T s U s K E s T s T s N
=+
+ 其中采用了一阶环节来近似纯微分动作，为保证有良好的微分近似效果，一般选10N ≥。
试建立PID 控制器的Simulink 模型并建立子系统。
三、
预习要求：
利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。
实验二 控制系统分析
一、 实验目的
1、掌握如何使用Matlab 进行系统的时域分析
2、掌握如何使用Matlab 进行系统的频域分析
3、掌握如何使用Matlab 进行系统的根轨迹分析
4、掌握如何使用Matlab 进行系统的稳定性分析
5、掌握如何使用Matlab 进行系统的能观测性、能控性分析 二、 实验内容： 1、时域分析
（1）根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并在图上读标注出峰值，求出系统
的性能指标。
8
106)
65(5)(2
32+++++=s s s s s s G （2）已知两个线性定常连续系统的传递函数分别为1G (s)和2G (s)，绘制它们的单位脉冲响
应曲线。
4
5104
2)(2
321+++++=s s s s s s G ， 27223)(22+++=s s s s G （3）已知线性定常系统的状态空间模型和初始条件，绘制其零输入响应曲线。
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣
⎡∙∙212107814.07814.05572.0x x x x []⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=214493
.69691.1x x y ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=01)0(x 2、频域分析 设线性定常连续系统的传递函数分别为1G (s)、2G (s)和3G (s)，将它们的Bode
图绘制在一张图中。
151)(1+=
s s G ，4
53.0)(22++=s s s G ，16.0)(3
+=s s G 3、根轨迹分析 根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定
的K 值范围。
)
2)(1()()(++=
s s s K
s H s G
4、系统稳定性分析
（1）代数法稳定性判据：（用求分母多项式的根和routh 函数两种方法）
已知系统的开环传递函数为：(2)
()100(1)(20)
s G s s s s +=++试对系统闭环判别其稳定性
（2）根轨迹法判断系统稳定性：
已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：2
(3)
()(5)(6)(22)
s G s k
s s s s s +=++++ 试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置， 并判断在该点系统闭环的稳定性。
（3）Bode 图法判断系统稳定性：
已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：
123232
2.7 2.7
();()5454G s G s s s s s s s
=
=+++- 用Bode 图法判断系统闭环的稳定性。
5、系统能控性、能观性分析
已知连续系统的传递函数模型，
32
()102718
s G s s s s α
+=
+++ 当α分别取－1，0，＋1时，判别系统的能控性与能观性 三、预习要求：
利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。
实验三 基于BODE 图法的控制系统设计
一、
实验目的
1、BODE 图法串联超前校正器设计 ；
2、BODE 图法串联滞后校正器设计 ；
3、BODE 图法反馈校正器设计 ； 二、
实验内容：
1、已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为：
0100
()(0.11)(0.011)
=
++G s s s s
设计超前校正装置，使校正后系统满足：
1v K 100s -= ，1c 50s -ω=，%30%σ≤
2、已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为：
0100
()(0.11)(0.011)
=
++G s s s s
设计超前校正装置，使校正后系统满足：
1v K 100s -= ，1c 5s -ω≥，%40%σ≤
3、已知控制系统方框图如图3-1所示。
图中：
11G (s)K 200== ，210
()(0.11)(0.011)
=
++G s s s ，30.1()=G s s
若要求校正后系统在单位斜坡输入作用下的稳态误差ss 1
e 200
= ，相角裕度c ()45γω≥o ，试确定反馈校正装置c G (s) 的形式与参数。
图3-1
三、预习要求：利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。
实验四 控制系统的
PID 设计和工程整定方法
一、实验目的
1、使用MATLAB 分析比例、微分、积分环节对控制系统性能的影响；
2、掌握MATLAB 实现工程整定的方法； 二、实验内容
1、系统的结构图如图4-1所示。
图中
()(1)=++i c p d K G s K K s s ，1()--=Ts
h e G s s
当系统对象取p15G (s)(0.5s 1)(0.1s 1)=++，或p21G (s)s(0.1s 1)
=+时，分别时间相应的PID 控
制器。
图4-1
2、已知被控系统对象的传递函数为10
()(1)(2)(3)(4)
=
++++G s s s s s ，试设计P 控制器、
PI 控制器、PID 控制器。
（使用齐格勒——尼柯尔斯整定法） 三、预习要求
利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。
实验五 现代控制系统设计
一、实验目的
1、掌握用状态反馈配置极点的方法；
2、掌握状态观测器设计方法； 二、实验内容
系统传递函数为： 2100
() 3.928103.57
=
++G s s s ，用状态反馈将系统极点配置在
17.35j7.5λ=-+ ，17.35j7.5λ=--，并用状态观察器实现状态反馈，观测器极点为：s 0.1j0=-± 。
【注】 函数place()用来配置系统（A ，B ，C ，D ）的闭环极点，其调用格式为：
K=place(A ，B ，P)
其中，参数P 为系统要配置的闭环极点向量；返回变量K 为状态反馈向量。
三、预习要求
利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。
实验六 基于SIMULINK 的控制系统综合仿真
一、实验目的
1、了解MATLAB 系统仿真的研究方法和实现手段；
2、掌握基本的系统仿真实现的技巧和能力。
二、实验内容
1、系统结构图如图6-1所示。
输入为信号电平1~6，非线性环节的上、下限为1± ，取步长h 0.1= ，仿真时间为10s ，试绘制系统的响应曲线。
图6-1
2、已知钢铁厂车间加热炉传递函数与温度传感器及其变送器的传递函数模型分别为：
80s 019.9G e 120s 1-=
+ ，020.107
G 10s 1
=
+ 设定控制所用的PID 调节器传递函数为
2c 29286s 240s 1.5G 521s 145s
++=+
试对系统的PID 控制进行分析、设计与仿真。
三、预习要求
利用所学知识，编写实验程序，并写在预习报告上。
2c 29286s 240s 1.5
G 521s 145s
++=
+。