控制系统设计与仿真实验指导书

1目录目录...........................................................................................................................11.说明........................................................................................................................22.MATLAB语言简介..................................................................................................32.1MATLAB的应用基础...................................................................................32.2MATLAB函数..............................................................................................42.3绘制响应曲线.................................................................................................52.4MATLAB语言的联机帮助功能......................................................................73.MATLAB语言基础实验...........................................................................................83.1实验一MATLAB语言平台............................................................................83.2实验二MATLAB数值运算............................................................................113.3实验三MATLAB绘图..................................................................................143.4实验四MATLAB句柄绘图............................................................................184.控制理论仿真实验.................................................................................................214.1实验五控制系统的建模................................................................................214.2实验六控制系统的稳定性分析实验...............................................................274.3实验七控制系统的时域分析实验..................................................................294.4实验八控制系统的根轨迹分析......................................................................314.5实验九控制系统的频域分析.........................................................................324.6实验十S函数的编写及应用...........................................................................334.8实验十二倒立摆系统控制算法的状态空间法设计..........................................382控制系统设计与仿真实验1.说明《MATLAB语言与控制系统仿真实验指导书》包括四部分内容：MATLAB语言基础、MATLAB语言基础实验、控制理论仿真实验和实验作业。要求每位学生完成规定的实验内容后，独立做完实验作业，以巩固知识，增强应用能力。本课程上机实验学时为18学时，建议分配如下：实验内容学时数备注实验一MATLAB语言平台3选做实验二MATLAB数值运算3选做实验三MATLAB绘图3选做实验五控制系统的建模3必做实验六控制系统的稳定性分析实验3必做实验七控制系统的时域分析实验3选做实验八控制系统的根轨迹分析3选做实验九控制系统的频域分析3选做实验十S函数的编写及应用3必做实验十一直流调速系统仿真与设计3设计性实验选做实验十二倒立摆系统控制算法的状态空间法设计3综合性实验选做上述学时仅为参考学时，学生可根据自己对MATLAB的熟悉程度作适当的调整。32.MATLAB语言简介MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。MATLAB的推出得到了各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础，现已成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。控制界的很多知名学者度为其擅长的领域写出工具箱，而其中很多工具箱已经成为该领域的标准。和其它的程序设计语言不同，MATLAB语言的基本变量单元是复数矩阵，其矩阵处理功能和图形处理功能是其最显著的特色，这里介绍一些简单实用的MATLAB命令及操作。2.1MATLAB的应用基础1.如何应用MATLAB通常以命令驱动方式应用MATLAB。当输入单个命令时，MATLAB会立即对其进行处理，并且显示处理结果。MATLAB也能够执行存储在文件中的命令序列。通过键盘输入的命令，可以用上下箭头键存取。2.MATLAB的变量MATLAB的一个特点是变量在应用前不必确定维数。在MATLAB中，变量一旦被采用，会自动产生（如果必要，变量的维数以后还可改变），并保留在存储器中。为了得到工作空间内的变量清单，可以通过键盘输入命令who，当前存放在工作空间内的所有变量便会显示在屏幕上。命令clear能从工作空间中清除所有非永久性变量。如果只需要从工作空间中清除某个特定变量，比如“x”，则应输入命令clearx。3.以“%”开始的程序行在MATLAB中以“%”开始的行表示注解和说明，这些注解和说明是不执行的。如果注解和说明需要一行以上程序行，则每一行均需以“%”为起始。4.分号操作符分号用来取消打印（显示）。如果语句的最后一个符号是分号，则打印被取消，但是命令仍在执行，而结果不再显示。此外，在输入矩阵时，分号表示一行的结束。5.冒号操作符冒号操作符在MATLAB中起着重要作用。该操作符用来建立行向量，赋予矩阵下标和规定叠代。例如：j:k表示[jj+1…k-1k]，A(:,j)表示矩阵A的第j列。6.输入超过一行的长句4如果输入的语句太长，超出了一行，则在语句的末尾输入3个小圆点（…），以表明语句将延续到下一行。7.在一行内输入数个语句如果语句之间用豆号或分号隔开，则可以把数个语句放在一行内。例如：plot(1,3,'o'),text(1,20,'system1'),text(1,15,'system2')8.选择输出格式MATLAB中的所有计算都是以双精度方式完成的，但是显示输出可以是具有4个小数位的定点输出。例如，对于向量x=[1/3,0.00002]MATLAB有下列输出x=0.33330.0000如果在矩阵中至少有一个元素不是严格的整数，则有多种可能的输出格式。显示的输出量可以用【File】菜单的【Preferences】命令设置，或用下列命令加以控制：formatshort（0.33330.0000）formatlong（0.333333333333330.00002000000000）formatshorte（3.3333e-0012.0000e-005）formatlonge（3.333333333333333e-0012.000000000000000e-005）9.退出MATLAB时如何保存变量当退出MATLAB时，工作空间中的所有变量都将消失。如果在退出之前输入命令save，则所有的变量都被保存在磁盘文件matlab.mat文件中。当再次进入MATLAB时，命令load将使工作空间恢复到以前的状态。如果要保存/恢复部分变量，可用如下命令：save文件名变量名（变量名之间用空格分割）/load文件名参见save命令的帮助文件。2.2MATLAB函数在当前的MATLAB5.0及以上版本中，MATLAB函数的调用格式和其它编程语言是不同的，其典型的调用格式为[返回变量列表]=func_name（输入变量列表）其中等号左边的变量为返回变量，等号右边的变量为输入变量。MATLAB允许在函数调用时返回多个变量。而一个函数又可以由多种格式进行调用，例如bode()函数可以由下面的格式调用[mag,phase]=bode(num,den,w)其中bode()函数用来求取或绘制系统的Bode图，而系统在这里由传递函数分子num和分母den表示，还可以用下面的格式调用此函数5[mag,phase]=bode(A,B,C,D,w)其中(A,B,C,D)为系统的状态方程模型。尽管两种调用格式是完全不同的，MATLAB函数还是会自动识别到底是用哪种格式调用该函数的，从而得出正确的结论。在当前版本的控制系统工具箱中还允许用线性模型对象变量G来描述系统，例如[mag,phase]=bode(G,w)MATLAB函数在返回变量的格式上也可以不同，例如若上面的语句中若没有返回变量，则将自动地绘制系统的Bode图，否则返回计算结果数据。2.3绘制响应曲线MATLAB具有丰富的获取图形输出的程序集。命令plot可以产生线性x-y图形（用命令loglog、semilogx、semilogy或polar取代plot，可以产生对数坐标图和极坐标图）。所有这些命令的应用方式都是相同的，它们只对坐标轴的分度和数据的显示产生影响。1.X-Y图如果X和Y是同一长度的向量，则命令plot(X,Y)将画出Y值对于X值的关系图。2.画多条曲线为了在一幅图上画出多条曲线，采用具有多个自变量的plot命令：plot(X1,Y1,X2,Y2,…,Xn,Yn)变量X1,Y1,X2,Y2等等是一些向量对。每一个X-Y对都可以图解表示出来，因而在一幅图上形成多条曲线。多重变量的优点是它允许不同长度的向量在同一幅图上显示出来，每一对向量采用不同的线型。在一幅图上画一条以上的曲线时，也可以利用命令hold。hold命令可以保持当前的图形，并且防止删除和修改比例尺。因此，随后的一条曲线将会重叠地画在原曲线上。再次输入命令hold，会使当前的图形复原。3.加进网格线、图形标题、X轴标记和Y轴标记一旦在屏幕上显示出图形，就可以画出网格线，定出图形标题，并且标定x轴标记和y轴标记。MATLAB中关于网格线、标题、X轴标记和Y轴标记的命令如下：grid(网格线)title(图形标题)xlabel(X轴标记)ylabel(Y轴标记)4.在图形屏幕上书写文本为了在图形屏幕上的点