中南大学控制系统仿真技术实验指导书1

1《控制系统仿真技术》实验指导书编写：徐德刚中南大学信息科学与工程学院2013年1月2实验一MATLAB的实验环境及基本命令一实验目的：1．学习了解MATLAB的实验环境2．在MATLAB系统命令窗口练习有关MATLAB命令的使用。二实验步骤1．学习了解MATLAB的实验环境：在Windows桌面上，用mouse双击MATLAB图标，即可进入MATLAB系统命令窗口：图1-1MATLAB系统命令窗口MATLAB的默认界面由三部分组成:①CommandWindows命令窗口3②CommandHistory历史窗口③Workspace工作空间2．练习MATLAB系统命令的使用。①表达式MATLAB的表达式由变量、数值、函数及操作符构成。实验前应掌握有关变量、数值、函数及操作符的有关内容及使用方法。练习1-1:计算下列表达式:要求计算完毕后，键入相应的变量名，查看并记录变量的值。②向量运算：n维向量是由n个成员组成的行或列数组。在MATLAB中，由分号分隔的方括号中的元素产生一个列向量；由逗号或空号分隔的方括号中的元素产生一个行向量；同维的向量可进行加减运算，乘法须遵守特殊的原则。练习1-2已知：X=[2；-4；8]求：Y=R＇；P=5*R；E=X.*Y；S=X＇*Y练习1-3⑴产生每个元素为1的4维的行向量；⑵产生每个元素为0的4维的列向量；⑶产生一个从1到8的整数行向量，默认步长为1；⑷产生一个从π到0，间隔为π/3的行向量；③矩阵基本运算操作。)6sin(/250d2/)101(a)sin(3.2ecib53]5,9,4[tgR4要求熟悉矩阵的输入方法及矩阵运算的有关命令。练习1-4求出下列运算结果，并上机验证。已知矩阵：（1）A（：，1）（2）A（2，：）（3）A（：，2：3）（4）A（2：3，2：3）（5）A（：，1：2：3）（6）A（2：3）（7）A（：）（8）A（：，：）（9）ones(2,2)(10)eye(2)(11)[A,[ones(2,2);eye(2)]](12)diag(A)(13)diag(A,1)(14)diag(A,-1)(15)diag(A,2)(16)fliplr(A)(17)flipud(A)(18)rot90(A)(19)tril(A)练习1-5用MATLAB命令完成下列矩阵函数运算：（1）输入如下矩阵A：（2）求矩阵B1,B1中每一元素为对应矩阵A中每一元素的正弦函数;（3）求矩阵B2,B2中每一元素为对应矩阵A中每一元素的余弦函数;（4）求B1^2+B2^2.。练习1-6利用基本矩阵产生3×3和5×5的单位阵、全1阵、全0阵、均匀分布随机阵（[-1，1]之间）、正态分布随机阵（均值为1、方差为4）。练习1-7产生一均匀分布在（-5，5）之间的随机阵（50×2），要求精确到小数点后一位。练习1-8编程实现当a∈[-π，π]，间隔为1°时，求解正弦、余弦的值。44434241343332312423222114131211A2/6/3/0A5练习1-9利用rand函数产生（0，1）间均匀分布的10×10随机阵a,然后统计a中大于等于0.6的个数。练习1-10利用randn函数产生均值为0，方差为1的10×10正态分布随机阵a，然后统计a中大于-0.5，小于0.5的元素个数。3.退出MATLAB环境在命令提示符””位置键入命令:exit或者quit执行以上命令可以退出MATLAB环境。6实验二程序文件与函数文件的应用一．实验目的：1．熟悉MATLAB系统M文件的基本操作；2．熟练应用MATLAB有关的图形函数，绘制函数图形。二．实验内容1．MATLAB程序文件：①编辑程序文件当完成一个功能需要许多MATLAB命令时，可以将这些命令按特定的顺序组合在一起，存储在一个程序文件中，就得到了MATLAB程序，其文件名的后缀为*.M，故也称为M文件。在命令窗口的FILE菜单或工具栏上选择NEW命令——M-file，即可开始编辑M文件。MATLAB编辑器与其它WINDOWS编辑程序类似。②保存M文件编辑M文件后，在命令窗口的FILE菜单或工具栏上选则SAVEAS命令存盘，文件应以*.M为后缀。③执行M文件在MATLAB系统命令窗口下，在提示符””处键入所编辑的M文件名后，即可执行该文件。在执行中若发现错误，系统将给出提示。此时可再次进入编辑器中修改程序，直至程序能正确执行为止。编写下列题目M文件，调试并运行:练习2-1．将图形窗口分割成1×2的空格，设ωt∈[0,2π],以π/50为步长，绘制下列函数图形：（1）在左窗口，以ωt为横坐标，绘制V=120Sinωt和7I=100Sin(ωt-π/4)曲线，线条分别用不同颜色表示；（2）在右窗口，绘制P=V·I曲线，线型用“*”符号。练习2-2．绘制以下函数图形：且在X轴写上“Time”标号，Y轴写上“Amplitude”标号，图形的标题为“Decaying-oscillatingExponential”.（2）在0≤t≤10区间内绘制如下图形：在同一个图中绘制上述函数，求出Y(t=0)和Y(t=10)的点。（注意弧度与角度的区别）。（3）绘制如下图形：（4）在0≤ｔ≤20区间内，且在同一图中绘制如下函数图形：求y1的昀小值与昀大值。（5）对应0≤ｔ≤25区域内，在同一图中绘制下列函数。)80()sin(21)()1(ttetyt625.0)24083.2cos(23.1)(tty625.0)(tx)300(8.0)309.0cos(5)(22.0tetetytt6.0)(6.062.2)(6.0)17422.2cos(62.2)(325.0225.01tyetytetytt8求y3(t)值：y(t=0)、ymax、ymin和y(t=12)练习2-3．绘制下列方程的极坐标图。θ∈[0,2π],步长为π/200。练习2-4．求函数Z的三维图形。定义区间与Z函数表达式如下：2．编辑函数文件函数是MATLAB扩展功能的M文件。许多MATLAB命令与全部工具箱命令都是用M文件格式写成的。程序文件与函数文件的主要区别在于，函数允许通过数值进行参数传递，而且函数使用局部变量而不是对整个工作空间中变量的操作。另外一个不同点是，函数文件的第一行必须包括“function”这个词。下面是一个典型的函数文件格式：function[out1,out2,…]=filename(in1,in2,…)ttttetetyetyety25.1)128554.0cos(02.2)(02.2)(25.1)(3.033.021)4/()5(3cos)4()sin1(2)3()cos1(2)2()cos1(3)1(errrrr1)1()1(5.11)1()1(155,552222yxyxzyx9%optionalcommentlinesfordocumentationMATLABcommands练习2-5阅读计算阶跃响应特征参数的函数文件，并编写主程序调用该函数文件（见附录），求：⑴超调量σ%；⑵上升时间Tr;⑶峰值时间Tp;⑷过渡过程时间Ts;练习2-6参考练习2-5程序，编写程序计算下列传递函数的阶跃响应特参数：⑴超调量σ%；⑵上升时间Tr;⑶峰值时间Tp;⑷过渡过程时间Ts;—-———————————————————————————附录：计算超调量σ%、上升时间Tr、峰值时间Tp、过渡过程时间Ts的函数文件;%MATLABPROGRAMEG2-4function[pos,tr,ts2,tp]=stepchar(t,y);%findingPosandTp[mp,ind]=max(y);dimt=length(t);yss=y(dimt);pos=100*(mp-yss)/yss;tp=t(ind);i=1;j=1;k=1;q=1;whiley(i)0.1;i=i+1;end;t1=t(i);whiley(j)0.9;13321)(2224)(222)(2332221sssSGsssSGssSG10j=j+1;end;t2=t(j);tr=t2-t1;%Findingsettlingtime(twopercent)Tsi=dimt+1;n=0;whilen==0;i=i-1;ifi==1;n=1;elseify(i)=1.02;n=1;end;end;t1=t(i);i=dimt+1;n=0;whilen==0;i=i-1;ify(i)=0.98;n=1;end;t2=t(i);ift1t2;ts2=t1;elsets2=t2;end;end;%程序中，pos为超调量σ%。11实验三MATLAB_GUI界面(一)实验目的图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。通过MatlabGUI编程示例仿真掌握GUI界面的设计；(二)实验设备计算机，Matlab软件(三)实验要求本实验属于设计实验，请先根据（四）实验内容的（a）【MatlabGUI编程示例】，并完成（b）【实验操作】。请在页眉处填写班级、学号、姓名，并将实验报告命名为“实验三_学号_姓名”，并通过FTP上传至指定文件夹。(四)实验内容a）MatlabGUI编程示例1．首先我们新建一个GUI文件：File/New/GUI如下图所示；选择BlankGUI(Default)122．进入GUI开发环境以后添加两个编辑文本框，6个静态文本框，和一个按钮，布置如下图所示；布置好各控件以后，我们就可以来为这些控件编写程序来实现两数相加的功能了。3．我们先为数据1文本框添加代码；13选择edit1_Callback，右键选择ViewCallbacks/callbackfunctionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Hints:get(hObject,'String')returnscontentsofedit1astext%str2double(get(hObject,'String'))returnscontentsofedit1asadouble然后在上面这段代码的下面插入如下代码：%以字符串的形式来存储数据文本框1的内容.如果字符串不是数字，则显示空白内容input=str2num(get(hObject,'String'));%检查输入是否为空.如果为空,则默认显示为0if(isempty(input))set(hObject,'String','0')endguidata(hObject,handles);这段代码使得输入被严格限制，我们不能试图输入一个非数字。4．为edit2_Callback添加同样一段代码5．现在我们为计算按钮添加代码来实现把数据1和数据2相加的目的。用3中同样的方法在m文件中找到pushbutton1_Callback代码段如下；functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)14%hObjecthandletopushbutton1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(