自动控制原理MATLAB仿真实验指导书2017年

WORD格式整理版学习参考好帮手目录目录...................................................................I1.说明.................................................................12.MATLAB语言简介.......................................................22.1MATLAB的应用基础...............................................22.2MATLAB函数.....................................................32.3绘制响应曲线....................................................42.4MATLAB语言的联机帮助功能.......................................63.MATLAB语言基础实验...................................................73.1实验一MATLAB语言平台...........................................73.2实验二MATLAB数值运算..........................................103.3实验三MATLAB绘图.............................................133.4实验四MATLAB句柄绘图..........................................174.控制理论仿真实验....................................................204.1实验五控制系统的建模...........................................204.2实验六控制系统的稳定性分析实验.................................264.3实验七控制系统的时域分析实验...................................284.4实验八控制系统的根轨迹分析.....................................304.5实验九控制系统的频域分析.......................................314.6实验十S函数的编写及应用.......................................325.实验作业............................................................38WORD格式整理版学习参考好帮手MATLAB语言与控制系统仿真实验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8学时，建议分配如下：实验内容学时数实验一MATLAB语言平台0.4实验二MATLAB数值运算0.4实验三MATLAB绘图0.2实验五控制系统的建模1实验六控制系统的稳定性分析实验2实验七控制系统的时域分析实验2实验八控制系统的根轨迹分析1实验九控制系统的频域分析1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。WORD格式整理版学习参考好帮手2.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。WORD格式整理版学习参考好帮手6.输入超过一行的长句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）WORD格式整理版学习参考好帮手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[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：WORD格式整理版学习参考好帮手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(x,y)书写文本，采用命令：text(x,y,'text')例如，利用语句text(3,0.45,'sint')将从点(3,0.45)开始，水平地写出sint。5.图形类型下列语句：plot(x,y,'x')将利用标记符号×画出一个点状图。MATLAB能够提供的线和点的类型如下：线的类型点的类型实线-圆点.短划线--加号+虚线:星号*点划线-.圆圈o×号x6.颜色下列语句：plot(X,Y,'+g')表明用绿色“+”号划线。MATLAB提供的颜色如下：红色r绿色g蓝色b白色w无色i参见plot的帮助文件。7.自动绘图算法WORD格式整理版学习参考好帮手在MATLAB中，图形是自动定标的。在另一幅图形画出之前，这幅图形作为现行图将保持不变，但是在另一幅图形画出后，原图形将被删除，坐标轴自动地重新定标。8.手工坐标定标如果需要在下列语句指定的范围内绘制曲线：V=[x-minx-maxy-miny-max]则因输入命令axis(V)，式中V是一个四元向量。axis(V)把坐标轴定在规定的范围内。2.4MATLAB语言的联机帮助功能下面的实验中，我们将较为详细地学习使用MATLAB的语言基础和控制系统仿真，但是MATLAB的内容及其丰富，在学习和使用中，可以利用MATLAB的联机帮助功能。MATLAB的联机帮助既可以由help命令来直接获得，又可以由MATLAB图形界面下的Help菜单来查询，还可以用lookfor命令查询有关的关键词：helpplotlookforplotWORD格式整理版学习参考好帮手3.MATLAB语言基础实验3.1实验一MATLAB语言平台（随堂实验）一、实验目的1.学习了解MA