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测控技术与仪器专业《计算机控制系统》课程实验指导书自动控制工程系沈阳工程学院
目 录实验一 基于MATLAB的典型环节模拟实验.................................................................................1实验二 基于MATLAB控制系统瞬态响应和稳定性分析...........................................................6实验三 基于MATLAB控制系统频率响应分析..........................................................................10实验四 基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响....................................................12实验五 直流电机PID控制...............................................................................................................14实验六 水箱液面控制实验................................................................................................................16
实验一 基于MATLAB的典型环节模拟实验一、实验目的1.熟悉MATLAB中模拟仿真环境和SIMULINK软件包的使用；2.掌握控制系统的模型表示方法以及Setp函数的使用。3.根据典型环节中的各阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。二、实验原理1.采用MATLAB中Simlink软件包来模拟各种典型环节，并在阶跃输入信号观察其输出响应曲线。2.采用Setp函数，在MATLAB环境下绘制各种典型环节的单位阶跃响应曲线。setp命令格式:［y，x］=step（num,den,t)三、实验内容1.运用Simulink软件包画出各种典型环节的模拟电路图，并画出各环节在阶跃输入信号作用下的响应输出波形；各环节的传递函数如下：（1）比例环节：1
（2）积分环节:（3）比例积分环节：2
（4）惯性环节:3
（5）比例积分微分环节：2、采用Setp函数求取上述各典型环节的阶跃响应曲线，并绘制其对应的曲线。num1=［1］den1=［1］step(num1，den1）hold on num2=[2]step（num2，den1） den3=［1,0]step(num1，den3) den4=[0。5 0]step(num1,den4） 4
［num5,den5]=parallel(num2,den1，num1，den4)step（num5，den5) ［num6，den6]=parallel（num1，den1,num1，den3)step（num6，den6） den7=［1 1]step（num1,den7） den8=[0.4 1］step（num2,den8） num9=［2,0］[num10，den10］=parallel(num2,den1,num1，den4,num9，den1）step(num10,den10） num11=[1 0][num12，den12]=parallel(num1,den1，num2,den1,num10，den1）step（num12,den12）四、实验思考题1.运算放大器模拟环节的传递函数是在什么情况下推导出来的？2.积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可近似为积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？3.积分环节和惯性环节的时间常数,如何从阶跃响应的曲线中测出？五、实验报告要求1.给出各个典型环节的传递函数。2.给出各个典型环节的单位响应曲线。5
实验二 基于matlab控制系统瞬态响应和稳定性分析壱、实验目的1.熟悉MATLAB中模拟仿真环境和SIMULINK软件包的使用；2.记录下不同开环增益时二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS；3.通过增益的调整，观察系统输出波形，加深增益K变化对系统稳定性的影响。弐、实验原理1.通过函数Setp对给定系统，在不同增益的情况下求取系统的阶跃响应曲线,并根据时域性能指标的定义，从输出波形图上求取出超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS;setp命令格式：［y,x］=step（num,den,t）2.由闭环系统的稳定性的充分必要条件可知，闭环系统稳定其特征根应当具备负实部的特点。当存在实部等于0（纯虚根）的极点，系统为临界稳定。Roots命令格式：roots(d) 其中d为特征多项式的系数矩阵。3.在Simulink环境下，通过改变不同增益绘制出相对应的波形图，了解增益K变化对稳定性的影响。参、实验内容1。 通过函数Setp，求取传递函数增益K在10、5、2、1时的四条响应曲线，并从响应曲线上求得超调量MP、峰值时间tP和调节时间tSfigure（1)num1=［20］den1=[0。1 0。5 20］roots(den1)step(num1，den1） figure（2）num2=［10］den2=[0。1 0.5 10］roots（den2）step(num2,den2） figure(3）num3=［5]6
den3=[0。1 0。5 5]roots（den3)step(num3,den3） figure(4）num4=[1]den4=[0。1 0.5 1]roots（den4）step(num4，den4)figure（1）Mp=57%,tp=0.227，ts=1。18figure(2)Mp=44％,tp=0。321,ts=1.12figure(3)7
Mp=30％，tp=0.486,ts=1。19figure(4)Mp=2％,tp=1。02,ts=1.022. 通过Roots函数求得闭环传递函数特征根的方法，判断系统的稳定性。-2.5000 +13。9194i —2.5000 -13.9194i K=10时系统稳定—2。5000 + 9.6825i -2。5000 — 9。6825i K=5时系统稳定 -2.5000 + 6.6144i -2。5000 - 6。6144i K=1时系统稳定 -2.5000 + 1.9365i -2.5000 - 1。9365i 8
四、实验报告要求1．编制程序实现上面程序.2．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上(响应曲线请用虚线表示）。9
究控制系统的一种经典方法。它主要包括三种方法：bode图（幅频/相频特性曲线）、nyquist曲线、nichols图。bode命令功
能：绘制波特图。 格式：［mag,phase，w］=bode（num，den） ［mag,phase,w]=bode(num,den，w) nyquist命令功
能:绘制奈奎斯特图。 格式：［re，im,w］=nyquist(num，den） [re，im,w]=nyquist（num,den，w） nichols命令功
能：绘制尼科尔斯图。 格式:[M，P]=nichols（num,den) margin命令功
能：求幅值和相位裕量,以及幅值和相位交界频率. 格式：[GM，PM，wcg,wcp]=margin(M,P）参、实验内容1.试绘制一单位
反馈系统的开环传递函数为,K=10时的
伯德图。10
实验三 基于MATLAB控制系统频率响应分析壱、实验目的 掌握用MATLAB软件中bode图(幅频/相频特性曲线）、nyquist曲线、margin命令的使用。弐、实验原理 频域分析法是应用频率特性研
裕量和幅值裕量，并判断系统的稳定性。相位
裕量:37.7度 幅值裕量-16。8db 系统稳定四、实验报告要求3．编制程序实现上面程序。4．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上（响应曲线请用虚线表示）。11
num=［10]den=conv（conv([0.2，1］,［0.02，1]），[1,0］）tf（num，den）bode（num,den)gridmargin(num,den)2.当K=10时系统的相位
学生初步掌握MATLAB软件在离散控制系统分析和设计中的应用。弐、实验原理1．连续
系统的离散化。在MATLAB软件中，对
连续系统的离散化主要是利用函数c2dm( ）函数来实现的，c2dm( )函数的一
般格式为C2dm（ num， den, T, method），可以通过MATLAB的
帮助文件进行查询。其中：Num：传递函数分
子多项式系数；Den:传递函数分
母多项式系数；T：采样周期；Method：
转换方法；允许
用户采用的转换方法有：零阶保持器(ZOH)等五种。参、实验内容2．求
离散系统的相应：在MATLAB中,求采样系统的响应可运用dstep（ )，dimpulse( ）,dlsim（）来实现的。分别用于求取采样系统的阶跃，
脉冲，零输入及任意输入时的响应，其中dstep（ ）的一
般格式如下：dstep（ num, den， n)，可以通过MATLAB的
帮助文件进行查询。其中:Num：传递函数分
子多项式系数；12
实验四 基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响壱、实验目的让
母多项式系数；N：采样点数；四、实验报告要求1．编制程序实现上面
两个程序。2．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上。3．在
第1个例子中,改变采样周期为0.25，0.5 ，0.75,重新运行程序,把结果和原来结果
进行比较，并说明为什么？4．在
第2个例子中，改变采样点数为70，重新运行程序,把结果和原来结果
进行比较，并说明为什么？13
Den：传递函数分
运用所学控制知识设计控制器，对直流电机转速控制模型进行控制，达
到快速调整直流电机转速的目的.二、实验内容直流电机
转速控制模型是一个经典的控制理论教学模型，它具有物理模型简
单、概念清晰，便于用控制理论算法进行控制的特点.其力学模型如图2 所示。直流电机的模型参数如下:转
动惯量（J） = 0。01 kg。m^2/s^2机
械阻尼(b) = 0.1 Nms电
磁力常数(K) = 0.01 Nm/Amp电
阻(R) = 1 ohm电
感（L） = 0。5 H输入电
压(V）输出
转轴位置（ θ)给电机输入一个阶跃电
压控制号,得系统的开环转速响应信号如下：14
实验五 直流电机PID控制一、实验目的综合
转速上升速度过慢，上升时间过长。要求根据所学的控制理论知识，设
计出一个直流电机转速控制器，使其阶跃响应满足:上升时间< 1 秒、过冲量〈 10％、稳态
误差<2%.三、实验
设备1。 计算机1 台2. DRLink 计算机控制
平台1 套四、实验
步骤1. 运
行DRLink主程序，点击DRLink 快捷工具条上的”联机注册"图标，选择其中的
“DRLink采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。2.在DRLink 软件
平台的地址信息栏中输入WEB 版实验指导书的地址,在实验目录中
选择“直流电机转速控制模型”,建立实验环境，如下图所示。设定PID 控制器的参数，观察不同参数时直流电机
转速变化情况。3. 对上面实验
进行修改，直接观察其开环阶跃响应情况.4. 用根
轨迹法、Bode 图法等系统性能校正方法,设计其它控制器，观察它们对直流电机
转速控制性能的改进效果。五、实验报告要求1. 简
述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。2. 按
实验步骤附上相应的信号波形曲线，总结实验得出的主要结论。15
电机
运用所学控制知识设计控制器，对单容水箱液面高度进行控制，达到快速
调整水箱液面高度的目的。二、实验内容单容水箱控制模型是一个
经典的控制理论教学模型，它具有��
目 录实验一 基于MATLAB的典型环节模拟实验.................................................................................1实验二 基于MATLAB控制系统瞬态响应和稳定性分析...........................................................6实验三 基于MATLAB控制系统频率响应分析..........................................................................10实验四 基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响....................................................12实验五 直流电机PID控制...............................................................................................................14实验六 水箱液面控制实验................................................................................................................16
实验一 基于MATLAB的典型环节模拟实验一、实验目的1.熟悉MATLAB中模拟仿真环境和SIMULINK软件包的使用；2.掌握控制系统的模型表示方法以及Setp函数的使用。3.根据典型环节中的各阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。二、实验原理1.采用MATLAB中Simlink软件包来模拟各种典型环节，并在阶跃输入信号观察其输出响应曲线。2.采用Setp函数，在MATLAB环境下绘制各种典型环节的单位阶跃响应曲线。setp命令格式:［y，x］=step（num,den,t)三、实验内容1.运用Simulink软件包画出各种典型环节的模拟电路图，并画出各环节在阶跃输入信号作用下的响应输出波形；各环节的传递函数如下：（1）比例环节：1
（2）积分环节:（3）比例积分环节：2
（4）惯性环节:3
（5）比例积分微分环节：2、采用Setp函数求取上述各典型环节的阶跃响应曲线，并绘制其对应的曲线。num1=［1］den1=［1］step(num1，den1）hold on num2=[2]step（num2，den1） den3=［1,0]step(num1，den3) den4=[0。5 0]step(num1,den4） 4
［num5,den5]=parallel(num2,den1，num1，den4)step（num5，den5) ［num6，den6]=parallel（num1，den1,num1，den3)step（num6，den6） den7=［1 1]step（num1,den7） den8=[0.4 1］step（num2,den8） num9=［2,0］[num10，den10］=parallel(num2,den1,num1，den4,num9，den1）step(num10,den10） num11=[1 0][num12，den12]=parallel(num1,den1，num2,den1,num10，den1）step（num12,den12）四、实验思考题1.运算放大器模拟环节的传递函数是在什么情况下推导出来的？2.积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可近似为积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？3.积分环节和惯性环节的时间常数,如何从阶跃响应的曲线中测出？五、实验报告要求1.给出各个典型环节的传递函数。2.给出各个典型环节的单位响应曲线。5
实验二 基于matlab控制系统瞬态响应和稳定性分析壱、实验目的1.熟悉MATLAB中模拟仿真环境和SIMULINK软件包的使用；2.记录下不同开环增益时二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS；3.通过增益的调整，观察系统输出波形，加深增益K变化对系统稳定性的影响。弐、实验原理1.通过函数Setp对给定系统，在不同增益的情况下求取系统的阶跃响应曲线,并根据时域性能指标的定义，从输出波形图上求取出超调量MP、峰值时间tP和调节时间tS;setp命令格式：［y,x］=step（num,den,t）2.由闭环系统的稳定性的充分必要条件可知，闭环系统稳定其特征根应当具备负实部的特点。当存在实部等于0（纯虚根）的极点，系统为临界稳定。Roots命令格式：roots(d) 其中d为特征多项式的系数矩阵。3.在Simulink环境下，通过改变不同增益绘制出相对应的波形图，了解增益K变化对稳定性的影响。参、实验内容1。 通过函数Setp，求取传递函数增益K在10、5、2、1时的四条响应曲线，并从响应曲线上求得超调量MP、峰值时间tP和调节时间tSfigure（1)num1=［20］den1=[0。1 0。5 20］roots(den1)step(num1，den1） figure（2）num2=［10］den2=[0。1 0.5 10］roots（den2）step(num2,den2） figure(3）num3=［5]6
den3=[0。1 0。5 5]roots（den3)step(num3,den3） figure(4）num4=[1]den4=[0。1 0.5 1]roots（den4）step(num4，den4)figure（1）Mp=57%,tp=0.227，ts=1。18figure(2)Mp=44％,tp=0。321,ts=1.12figure(3)7
Mp=30％，tp=0.486,ts=1。19figure(4)Mp=2％,tp=1。02,ts=1.022. 通过Roots函数求得闭环传递函数特征根的方法，判断系统的稳定性。-2.5000 +13。9194i —2.5000 -13.9194i K=10时系统稳定—2。5000 + 9.6825i -2。5000 — 9。6825i K=5时系统稳定 -2.5000 + 6.6144i -2。5000 - 6。6144i K=1时系统稳定 -2.5000 + 1.9365i -2.5000 - 1。9365i 8
四、实验报告要求1．编制程序实现上面程序.2．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上(响应曲线请用虚线表示）。9
究控制系统的一种经典方法。它主要包括三种方法：bode图（幅频/相频特性曲线）、nyquist曲线、nichols图。bode命令功
能：绘制波特图。 格式：［mag,phase，w］=bode（num，den） ［mag,phase,w]=bode(num,den，w) nyquist命令功
能:绘制奈奎斯特图。 格式：［re，im,w］=nyquist(num，den） [re，im,w]=nyquist（num,den，w） nichols命令功
能：绘制尼科尔斯图。 格式:[M，P]=nichols（num,den) margin命令功
能：求幅值和相位裕量,以及幅值和相位交界频率. 格式：[GM，PM，wcg,wcp]=margin(M,P）参、实验内容1.试绘制一单位
反馈系统的开环传递函数为,K=10时的
伯德图。10
实验三 基于MATLAB控制系统频率响应分析壱、实验目的 掌握用MATLAB软件中bode图(幅频/相频特性曲线）、nyquist曲线、margin命令的使用。弐、实验原理 频域分析法是应用频率特性研
裕量和幅值裕量，并判断系统的稳定性。相位
裕量:37.7度 幅值裕量-16。8db 系统稳定四、实验报告要求3．编制程序实现上面程序。4．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上（响应曲线请用虚线表示）。11
num=［10]den=conv（conv([0.2，1］,［0.02，1]），[1,0］）tf（num，den）bode（num,den)gridmargin(num,den)2.当K=10时系统的相位
学生初步掌握MATLAB软件在离散控制系统分析和设计中的应用。弐、实验原理1．连续
系统的离散化。在MATLAB软件中，对
连续系统的离散化主要是利用函数c2dm( ）函数来实现的，c2dm( )函数的一
般格式为C2dm（ num， den, T, method），可以通过MATLAB的
帮助文件进行查询。其中：Num：传递函数分
子多项式系数；Den:传递函数分
母多项式系数；T：采样周期；Method：
转换方法；允许
用户采用的转换方法有：零阶保持器(ZOH)等五种。参、实验内容2．求
离散系统的相应：在MATLAB中,求采样系统的响应可运用dstep（ )，dimpulse( ）,dlsim（）来实现的。分别用于求取采样系统的阶跃，
脉冲，零输入及任意输入时的响应，其中dstep（ ）的一
般格式如下：dstep（ num, den， n)，可以通过MATLAB的
帮助文件进行查询。其中:Num：传递函数分
子多项式系数；12
实验四 基于MATLAB分析采样周期T对控制系统的影响壱、实验目的让
母多项式系数；N：采样点数；四、实验报告要求1．编制程序实现上面
两个程序。2．把得到的图形和结果拷贝在试验报告上。3．在
第1个例子中,改变采样周期为0.25，0.5 ，0.75,重新运行程序,把结果和原来结果
进行比较，并说明为什么？4．在
第2个例子中，改变采样点数为70，重新运行程序,把结果和原来结果
进行比较，并说明为什么？13
Den：传递函数分
运用所学控制知识设计控制器，对直流电机转速控制模型进行控制，达
到快速调整直流电机转速的目的.二、实验内容直流电机
转速控制模型是一个经典的控制理论教学模型，它具有物理模型简
单、概念清晰，便于用控制理论算法进行控制的特点.其力学模型如图2 所示。直流电机的模型参数如下:转
动惯量（J） = 0。01 kg。m^2/s^2机
械阻尼(b) = 0.1 Nms电
磁力常数(K) = 0.01 Nm/Amp电
阻(R) = 1 ohm电
感（L） = 0。5 H输入电
压(V）输出
转轴位置（ θ)给电机输入一个阶跃电
压控制号,得系统的开环转速响应信号如下：14
实验五 直流电机PID控制一、实验目的综合
转速上升速度过慢，上升时间过长。要求根据所学的控制理论知识，设
计出一个直流电机转速控制器，使其阶跃响应满足:上升时间< 1 秒、过冲量〈 10％、稳态
误差<2%.三、实验
设备1。 计算机1 台2. DRLink 计算机控制
平台1 套四、实验
步骤1. 运
行DRLink主程序，点击DRLink 快捷工具条上的”联机注册"图标，选择其中的
“DRLink采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。2.在DRLink 软件
平台的地址信息栏中输入WEB 版实验指导书的地址,在实验目录中
选择“直流电机转速控制模型”,建立实验环境，如下图所示。设定PID 控制器的参数，观察不同参数时直流电机
转速变化情况。3. 对上面实验
进行修改，直接观察其开环阶跃响应情况.4. 用根
轨迹法、Bode 图法等系统性能校正方法,设计其它控制器，观察它们对直流电机
转速控制性能的改进效果。五、实验报告要求1. 简
述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。2. 按
实验步骤附上相应的信号波形曲线，总结实验得出的主要结论。15
电机
运用所学控制知识设计控制器，对单容水箱液面高度进行控制，达到快速
调整水箱液面高度的目的。二、实验内容单容水箱控制模型是一个
经典的控制理论教学模型，它具有��
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