Matlab计算机仿真实验指导书

1电信学院自动控制系李小华魏东2005年1月控制系统仿真实验指导书2目录前言…………………………………………………………………1实验一MATLAB环境的熟悉与基本运算…………………………2实验二MATLAB语言的程序设计…………………………………5实验三MATLAB的图形绘制………………………………………7实验四控制系统的频域与时域分析……………………………10实验五采用SIMULINK的系统仿真……………………………14实验六控制系统工具箱的使用…………………………………181前言《计算机仿真》课是工业自动化专业的专业选修课。本课程的任务就是使学生了解控制系统计算机仿真的基本概念和方法，掌握MATLAB仿真工具在控制系统仿真与辅助设计中的应用，其目的在于培养学生对控制系统的分析与设计能力，加深对已学过的各科专业知识的消化与理解。该课程的知识在控制系统的辅助设计及控制理论的研究中起着相当重要的作用。通过本课程的实验教学，学生应熟练掌握MATLAB语言的使用与程序设计、MATLAB基本绘图功能、MATLAB中数学模型的建立及转换、控制系统的时域、频域及根轨迹分析、系统框图输入与SIMULINK仿真工具的应用等基本仿真方法，对所学过的理论知识有更深入的理解和认识，并能利用它对控制系统进行分析、设计与综合，具有应用计算机解决专业理论问题的能力。本实验指导书按照教学大纲要求并结合所学内容编写了六个基本实验，其中的每一个实验学生都可以自己扩展，按照实验目的和要求自己设计，多做一些练习题。在每次做实验前，要求学生在此基础上写出实验准备报告，鼓励出新，丰富实验内容。由于本书编写仓促，在使用的过程中如发现问题请及时批评指正。编者2实验一MATLAB环境的熟悉与基本运算一、实验目的及要求：1．熟悉MATLAB6的开发环境；2．掌握MATLAB6的一些常用命令；3．掌握矩阵、变量、表达式的输入方法及各种基本运算；4．熟练掌握特殊运算符及MATLAB函数的用法。二、实验内容：1.熟悉MATLAB6的各个窗口MATLAB桌面包括：命令窗口、命令历史窗口、启动平台窗口、工作空间窗口和当前路径窗口。1）命令窗口：提供交互式操作功能，输入命令，运行程序。其中注意“”键的使用。2）启动平台窗口：窗口中包括了系统中已安装的全部MATLAB程序和帮助文件的管理和启动功能，它采用了树型菜单的形式，用户可以直接从启动平台进入所选定项目。3）工作空间窗口：变量管理中心，显示出所有变量的信息。在某一变量上单击鼠标右键，会弹出菜单，可对变量进行处理。4）命令历史窗口：显示已执行过的命令。在某一命令行上单击鼠标右键，会弹出菜单，可对所选命令进行操作。5）当前路径窗口：提供当前路径文件的操作。在窗口的某一文件上单击鼠标右3键，会弹出菜单，对所选文件进行操作。2.掌握MATLAB常用命令who%列出工作空间中变量Yourvariablesare:aansbcwhos%列出工作空间中变量，同时包括变量详细信息NameSizeBytesClassa1x18doublearrayans1x18doublearrayb1x18doublearrayc1x324doublearrayGrandtotalis6elementsusing48bytessavetest%将工作空间中变量存储到test.mat文件中loadtest%从test.mat文件中读取变量到工作空间中clc%清除命令窗口中内容clear%清除工作空间中变量format%命令窗口数据显示格式命令help函数名（回车）%对所选函数的功能、调用格式及相关函数给出说明which显示指定的外部函数（M文件）所在的目录如：whichabc则系统会显示文件abc所在的目录what列出指定目录下的M文件、MAT文件、MEX文件和Classlookfor查找具有某种功能的函数但却不知道该函数的准确名称如：lookforLyapunov可列出与Lyapunov有关的所有函数。3.MATLAB的矩阵、变量、表达式及其基本运算1)注意创建矩阵的原则、方法；2）注意变量命名规则、表达式写法；3）MATLAB中的基本运算。例：a=[103;0–16;1–21]，b=[-100;2–31;050.3]矩阵运算:a+ba-ba*ba.*ba/ba^2a.^2关系运算:aba=ba==b4逻辑运算:a&ba|b~bxor(a)按照以上运算实际执行，观察运行结果，体会各种运算规则4．特殊运算符1）“；”——不显示运算结果例：在命令空间中输入a=10；或a=10观察运行结果。2）“：”——生成向量例：1:10——生成向量[12345678910]A=[123;456;789];运行A(1:9)A(:,1:2)A(:,[1,3])A(2,3)A(4,5)A(2,:)观察运行结果。5.MATLAB的常用函数的使用练习(1)sincosasinacostanatan等exploglog10log2powsqrt等absanglerealimagfixfloorceilremsignround(2)detinvrankeigexpmtrace(3)allanyfindisemptyisinfandornotxor(4)zerosoneseyerandnrandrot90fliplrflipuddiagtriltriureshape各函数的用法不清楚时，请使用help命令。三、实验报告要求：1）要求做实验前写出实验准备报告，将要求练习的内容列出具体的上机实例。可以广泛查阅参考书来写。2）针对上面的每一项写出上机的结果，体会其用法。5实验二MATLAB语言的程序设计一、实验目的及要求：1.掌握一些矩阵运算的基本函数应用方法2.熟悉MATLAB程序编辑与设计环境3.掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法4.会编写程序M文件和函数M文件5.初步掌握程序的调式方法二、实验内容：1.掌握以下矩阵操作函数实际给定一些数据后，使用各种函数计算，观察运算结果：det（方阵的行列式）inv（矩阵的逆）norm（矩阵或矢量的范数）rank（矩阵的秩）trace（矩阵的迹）eig（矩阵的特征值和特征矢量）expm（矩阵指数）logm（矩阵对数）zeros(n)生成nxn的零阵zeros(n,m)生成n行m列的零阵ones(n,m)生成n行m列的全1阵eye(n)生成nxn的单位阵randn(n,m)生成元素为正态分布随机阵x=[]生成空矩阵2.熟悉MATLAB程序编辑与设计环境M文件编辑器界面如下：6要求：1）简单程序的编写与运行。（自己找实例：程序M文件与函数M文件）2）熟练掌握各种程序控制语句。循环语句：for循环，while循环条件语句：ifelseelseif分支语句：switchcontinue和break语句3）通过实际程序编制及执行，深入理解程序M文件与函数M文件的区别。3.初步掌握程序的调式方法1）直接调试法利用echo命令；在程序的适当位置添加keyboard命令；设置或去掉断点等。keyboard命令：在程序中加入keyboard命令，可暂停程序运行，将控制权交给键盘，此时可显示程序中变量的值或对其进行修改，完成后键入return命令返回。2）调试器的使用Debug菜单说明：（有相应的快捷键）Step单步运行Stepin单步运行，遇到函数时进入函数，仍单步运行Stepout如果是在函数中，跳出函数；如果不在函数中，直接运行到下一个断点处SaveandRun存储文件并开始运行，如文件是已存储过的，则该菜单变为Run，当程序暂停在断点处时，该菜单项变为ContinueGoUntilCursor直接运行到光标所在位置ExitDebugMode退出调试方式以一个自己编写的程序为例，按上面方法调试。三、实验报告要求1．设计出上面要求的各种练习的具体例子，给出MATLAB程序；2．完成下面练习：通过编程实现以下功能：（1）求1～100的和；（2）求n的阶乘；（3）给出学生百分制成绩要求转换为五级制。以上程序要求用程序M文件和函数M文件分别实现。7实验三MATLAB的图形绘制一、实验目的及要求：1.了解MATLAB中图形窗口与坐标系；2.掌握MATLAB绘图的基本方法，熟悉各种绘图函数的使用；3.掌握图形的修饰方法和标注方法；4.掌握图形的修改方法。二、实验内容：1.了解图形窗口与坐标系的概念MATLAB图形窗口如下：窗口的设置：axis([0,2,0,4])axissquare82.二维图形的绘制（1）plot函数的多种调用方法：plot(y)y为向量plot(t,y)t为向量、y为矩阵plot(t,y)t、y为矩阵例：y=[00.62.358.311.71517.719.420];plot(y)（2）多组变量绘图：plot(x1,y1,选项1,x2,y2,选项2,……)上面的plot格式中，选项是指为了区分多条画出曲线的颜色、线型及标记点而设定的曲线的属性。MATLAB在多组变量绘图时，可将曲线以不同的颜色、不同的线型及标记点表示出来。这些选项如下表所示：各种颜色属性选项选项意义选项意义‘r’红色‘m’粉红‘g’绿色‘c’青色‘b’兰色‘w’白色‘y’黄色‘k’黑色9各种线型属性选项选项意义选项意义‘-’实线‘--’虚线‘:’点线‘-.’点划线各种标记点属性选项选项意义选项意义‘.’用点号绘制各数据点‘^’用上三角绘制各数据点‘+’用‘+’号绘制各数据点‘v’用下三角绘制各数据点‘*’用‘*’号绘制各数据点‘’用右三角绘制各数据点‘。’用‘。’号绘制各数据点‘’用左三角绘制各数据点‘s’或squar用正方形绘制各数据点‘p’用五角星绘制各数据点‘d’或diamond用菱形绘制各数据点‘h’用六角星绘制各数据点注意掌握各选项的作用与用法以及holdon与holdoff的用法。（3）对数坐标图形绘制semilogx()semilogy()loglog()（4）极坐标图形绘制polar(theta,rho,‘属性选项’)（5）子图绘制掌握subplot()的用法。subplot(n,m,k)或subplot(nmk)------n，m分别表示将窗口分割的行数和列数。3.图形修饰与标注（1）坐标轴的标题：title函数（2）坐标轴的说明：xlabel和ylabel函数（3）图形说明文字：text和gtext函数（4）给图形加网格：grid函数（5）在图形中添加图例框：legend函数（6）用鼠标点选屏幕上的点：ginput函数4.图形的修改（1）采用设句柄修改；set函数；get函数；gcf：获得当前图形窗口的句柄；gca：获得当前坐标轴对象的句柄；gco：获得当前对象的句柄。如：A．要对图形窗口的底色进行修改，可用：set(gcf,‘Color’,[1,1,1])------将图形窗口底色设为白色B．要把当前X轴的颜色改为绿色，可用：set(gca,‘Xcolor’,[0,1,0])10（2）在图形窗口上直接修改。三、实验报告要求：1．设计出上面要求的各种练习的具体例子，写出程序；2．通过下面习题熟悉各绘图函数应用（1）用MATLAB语言实现下面的分段函数，并绘出（-3，6）区间上的曲线图形（数据点个数自定，但应保证曲线平滑性）。要求曲线为蓝色、线型为实线，并且标注X轴、Y轴xxxxxxxfy,)(0,2sin0,)(2（2）用MATLAB语言绘制［－2π，2π］区间内sinθ、cosθ曲线，数据点间隔0.1弧度。要求分上下两个子图分别绘制sinθ、cosθ，并且sinθ用红色、实线，cosθ用兰色、虚线，对图形标题及横纵坐标轴进行标注。3．对上面图形进行修改。11实验四控制系统的频域与时域分析一、实验目的及要求：1.掌握控制系统数学模型的基本描述方法；2.了解控制系统的稳定性分析方法；3.掌握控制系统频域与时域分析基本方法。二、实验内容：1.系统数学模型的几种表示方法（1）传