計算機仿真技術實驗指導書2015版(MATLAB)

1、計算機仿真技術實驗指導書濱州學院光電工程系目 錄實驗一 MATLAB環(huán)境的熟悉與基本運算1實驗二 MATLAB數(shù)值及符號運算7實驗三 MATLAB語言的程序設計11實驗四 MATLAB的圖形繪制15實驗五 線性系統(tǒng)時域響應仿真分析20實驗六 控制系統(tǒng)的根軌跡24實驗七 控制系統(tǒng)的頻率特性分析29實驗八 Simulink建模與仿真34實驗九 基于傳遞函數(shù)的控制器設計42實驗一 Matlab使用方法（數(shù)組和矩陣的基本運算）實驗二 Matlab程序設計基本方法實驗三 數(shù)值計算與繪圖實驗四 Simulink建模與仿真實驗五 控制系統(tǒng)的分析（1）時域分析、頻域分析和根軌跡分析實驗六 控制系統(tǒng)的分析（2）

2、穩(wěn)定性分析實驗七 經(jīng)典控制系統(tǒng)設計根軌跡法實驗八 經(jīng)典控制系統(tǒng)設計Bode圖法實驗一 MATLAB環(huán)境的熟悉與基本運算 一、實驗目的： 1熟悉MATLAB開發(fā)環(huán)境2掌握矩陣、變量、表達式的各種基本運算二、實驗基本知識： 1.熟悉MATLAB環(huán)境: MATLAB桌面和命令窗口、命令歷史窗口、幫助信息瀏覽器、工作空間瀏覽器文件和搜索路徑瀏覽器。2.掌握MATLAB常用命令clc 清除命令窗口中內容clear 清除工作空間中變量help 對所選函數(shù)的功能、調用格式及相關函數(shù)給出說明lookfor 查找具有某種功能的函數(shù)但卻不知道該函數(shù)的準確名稱who查詢工作空間中的變量信息3.MATLAB變量與運算

3、符變量命名規(guī)則如下： （1） 變量名可以由英語字母、數(shù)字和下劃線組成（2） 變量名應以英文字母開頭（3） 長度不大于31個（4） 區(qū)分大小寫MATLAB中設置了一些特殊的變量與常量，列于下表。表1 MATLAB的特殊變量與常量變量名 功能說明 變量名 功能說明 ANS 默認變量名，以應答最近一次操作運算結果realmin 最小的正實數(shù)i或j 虛數(shù)單位INF(inf) 無窮大pi 圓周率NAN(nan) 不定值（0/0） eps 浮點數(shù)的相對誤差nargin 函數(shù)實際輸入?yún)?shù)個數(shù)realmax 最大的正實數(shù)nargout 函數(shù)實際輸出參數(shù)個數(shù) MATLAB運算符，通過下面幾個表來說明MATLAB

4、的各種常用運算符表2 MATLAB算術運算符操作符 功能說明 操作符 功能說明 + 加 矩陣左除- 減. 數(shù)組左除* 矩陣乘/ 矩陣右除.* 數(shù)組乘./ 數(shù)組右除 矩陣乘方 矩陣轉置. 數(shù)組乘方. 數(shù)組轉置表3 MATLAB關系運算符操作符 功能說明 = 等于= 不等于 大于= 大于等于= 小于等于表4 MATLAB邏輯運算符邏輯運算符 邏輯運算 說明 & And 邏輯與| Or 邏輯或 Not 邏輯非Xor 邏輯異或表5 MATLAB特殊運算符號 功能說明示例 符號 功能說明示例 ： 1:1:4;1:2:11 . ； 分隔行 . ， 分隔列 （） % 注釋 構成向量、矩陣 ！ 調用操作系統(tǒng)命

5、令 構成單元數(shù)組= 用于賦值 4.MATLAB的一維、二維數(shù)組的尋訪表6 子數(shù)組訪問與賦值常用的相關指令格式指令格式 指令功能 A(r,c) 數(shù)組A中r指定行、c指定列之元素組成的子數(shù)組A(r,:) 數(shù)組A中r指定行對應的所有列之元素組成的子數(shù)組A(:,c) 數(shù)組A中c指定列對應的所有行之元素組成的子數(shù)組A(:) 數(shù)組A中各列元素首尾相連組成的“一維長列”子數(shù)組A(i) 一維長列子數(shù)組中的第i個元素A(r,c)=Sa 數(shù)組A中r指定行、c指定列之元素組成的子數(shù)組的賦值A(:)=D(:) 數(shù)組全元素賦值，保持A的行寬、列長不變，A、D兩組元素總合應相同5.MATLAB的基本運算表7 兩種運算指令

6、形式和實質內涵的異同表數(shù)組運算 矩陣運算 指令 含義 指令 含義 A 非共軛轉置A 共軛轉置A=s 把標量s賦給A的每個元素s+B 標量s分別與B元素之和s-B,B-s 標量s分別與B元素之差s.*A 標量s分別與A元素之積s*A 標量s分別與A每個元素之積s./B,B.s 標量s分別被B的元素除S*inv(B)B陣的逆乘s A.n A的每個元素自乘n次An A陣為方陣，自乘n次A.p 對A各元素分別求非整數(shù)冪Ap 方陣A的非整數(shù)乘方A+B 對應元素相加A+B 矩陣相加A-B 對應元素相減A-B 矩陣相減A.*B 對應元素相乘A*B 內維相同矩陣相乘A./B A的元素別B的對應元素除A/B A

7、右除B B.A 與上相同BA A左除B exp(A) 以自然數(shù)e為底，分別以A的元素為指數(shù)，求冪expm(A)A的矩陣指數(shù)函數(shù)log(A) 對A的各元素求對數(shù)logm(A) A的矩陣對數(shù)函數(shù)sqrt(A) 對A的各元素求平方根sqrtm(A)A的矩陣平方根函數(shù) 6.MATLAB的常用函數(shù)表8 標準數(shù)組生成函數(shù)指令 含義 指令 含義 diag 產(chǎn)生對角形數(shù)組（對高維不適用）rand 產(chǎn)生均勻分布隨機數(shù)組eye 產(chǎn)生單位數(shù)組（對高維不適用） randn產(chǎn)生正態(tài)分布隨機數(shù)組magic 產(chǎn)生魔方數(shù)組（對高維不適用） zeros產(chǎn)生全0數(shù)組ones 產(chǎn)生全1數(shù)組size()返回指定矩陣的行數(shù)和列數(shù)表9

8、數(shù)組操作函數(shù)指令 含義 diag 提取對角線元素，或生成對角陣flipud以數(shù)組“水平中線”為對稱軸，交換上下對稱位置上的數(shù)組元素fliplr 以數(shù)組“垂直中線”為對稱軸，交換左右對稱位置上的數(shù)組元素reshape在總元素數(shù)不變的前提下，改變數(shù)組的“行數(shù)、列數(shù)” rot90 矩陣逆時針旋轉90度det 方陣的行列式值rank 矩陣的秩三、實驗內容 1、新建一個文件夾（自己的名字命名） 2、啟動MATLAB6.5，將該文件夾添加到MATLAB路徑管理器中。方法如下： 3、保存，關閉對話框 4、學習使用help命令，例如在命令窗口輸入help eye，然后根據(jù)幫助說明，學習使用指令eye（其它不會

9、用的指令，依照此方法類推） 5、學習使用clc、clear，觀察command window、command history和workspace等窗口的變化結果。6、初步程序的編寫練習，新建M-file，保存（自己設定文件名，例如exerc1、exerc2、 exerc3），學習使用MATLAB的基本運算符、數(shù)組尋訪指令、標準數(shù)組生成函數(shù)和數(shù)組操作函數(shù)。注意：每一次M-file的修改后，都要存盤。練習A： （1） help rand，然后隨機生成一個26的數(shù)組，觀察command window、command history和workspace等窗口的變化結果。（2）學習使用clc、clear

10、，了解其功能和作用。（3）輸入C=1:2:20，則C（i）表示什么？其中i=1,2,3,10。（4）輸入A=7 1 5；2 5 6；3 1 5，B=1 1 1; 2 2 2; 3 3 3，在命令窗口中執(zhí)行下列表達式，掌握其含義： A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A2 A.2 B/A B./A（5）二維數(shù)組的創(chuàng)建和尋訪，創(chuàng)建一個二維數(shù)組（48）A， 查詢數(shù)組A第2行、第3列的元素，查詢數(shù)組A第2行的所有元素，查詢數(shù)組A第6列的所有元素。（6） 兩種運算指令形式和實質內涵的比較。設有3個二

11、維數(shù)組A24，B24，C22，寫出所有由2個數(shù)組參與的合法的數(shù)組運算和矩陣指令。（7） 學習使用表8列的常用函數(shù)（通過help方法） （8） 學習使用表9數(shù)組操作函數(shù)。 練習B（10）用reshape指令生成下列矩陣，并取出方框內的數(shù)組元素。實驗二 MATLAB數(shù)值及符號運算一、 實驗目的：1、了解伴隨矩陣、稀疏矩陣、魔方矩陣、對角矩陣、范德蒙等矩陣的創(chuàng)建，掌握矩陣的基本運算2、掌握矩陣的數(shù)組運算3、掌握多項式的基本運算4、會求解代數(shù)方程5、掌握創(chuàng)建符號表達式和矩陣的方法6、掌握符號表達式的微分和積分運算二、 實驗基本知識：1、創(chuàng)建矩陣的方法：直接輸入法；用matlab函數(shù)創(chuàng)建矩陣2、矩陣運算

12、：矩陣加、減（,）運算矩陣乘（*）運算矩陣乘方inv 矩陣求逆det 行列式的值eig 矩陣的特征值diag 對角矩陣 矩陣轉置sqrt 矩陣開方3、矩陣的數(shù)組運算：數(shù)組加減(.+,.-)：對應元素相加減數(shù)組乘(.*）：a，b兩數(shù)組必須有相同的行和列，兩數(shù)組相應元素相乘數(shù)組除（./，.）：a./b=b.a 都是b的元素被a的對應元素除（a除以b）a.b=b./a 都是a的元素被b的對應元素除（ 除以a）數(shù)組乘方(.)：元素對元素的冪數(shù)組點積（點乘）：維數(shù)相同的兩個向量的點乘，其結果是一個標量數(shù)組叉積：就是一個過兩個相交向量的交點且垂直于兩個向量所在平面的向量數(shù)組混合積:先叉乘后點乘4、多項式運

13、算 poly 產(chǎn)生特征多項式系數(shù)向量roots 求多項式的根p=poly2str(c,x)（以習慣方式顯示多項式）conv,convs多項式乘運算deconv多項式除運算多項式微分polyder(p): 求p的微分polyder(a,b): 求多項式a,b乘積的微分p,q=polyder(a,b): 求多項式a,b商的微分5、代數(shù)方程組求解1）.恰定方程組的解方程ax=b(a為非奇異)兩種求解方法： x=inv(a)*b 采用求逆運算解方程 x=ab 采用左除運算解方程 2）超定方程組的解方程 ax=b ,m-pi ) w0=w0+0.01;endw=w0;% 計算臨界開環(huán)增益k=sqrt(1

14、+w2);% 繪制系統(tǒng)開環(huán)幅相特性圖G=tf(k,1,1,inputdelay,0.8);nyquist(G)繪制所給系統(tǒng)的奈奎斯特圖并判別穩(wěn)定的K值范圍。6實驗報告 1）畫出各系統(tǒng)的奈奎斯特圖和波特圖；2）利用系統(tǒng)波特圖和奈奎斯特圖對控制系統(tǒng)性能進行分析；實驗八 Simulink建模與仿真一 實驗目的1 學習SIMULINK 軟件工具的使用方法；2 用SIMULINK 仿真線性系統(tǒng)；二 實驗內容1SIMULINK簡介 SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結

15、果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進行存?。?，進而進行仿真與分析。2 SIMULINK的啟動進入SIMULINK界面，只要你在MATLAB命令窗口提示符下鍵入SIMULINK，按回車鍵即可啟動SIMULINK軟件。在啟動S IMULINK軟件之后，SIMULINK的主要方塊圖庫將顯示在一個新的Windows中。如圖8-1所示：

16、 在MATLAB命令窗口中輸入simulink ：結果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。圖8-1 SIMULINK的主要方塊圖庫3SIMULINK的模塊庫介紹SIMILINK模塊庫按功能進行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）Math（數(shù)學模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）4SIMULINK簡單模型的建立（1）建立

17、模型窗口（2）將功能模塊由模塊庫窗口復制到模型窗口（3）對模塊進行連接，從而構成需要的系統(tǒng)模型5SIMULINK功能模塊的處理（1）模塊庫中的模塊可以直接用鼠標進行拖曳（選中模塊，按住鼠標左鍵不放）而放到模型窗口中進行處理。（2）在模型窗口中，選中模塊，則其4個角會出現(xiàn)黑色標記。此時可以對模塊進行以下的基本操作：n 移動：選中模塊，按住鼠標左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動，可按住shift鍵，再進行拖曳；n 復制：選中模塊，然后按住鼠標右鍵進行拖曳即可復制同樣的一個功能模塊；n 刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要刪除多個模塊，可以同時按住Shift鍵，再用鼠標選中多個模塊

18、，按Delete鍵即可。也可以用鼠標選取某區(qū)域，再按Delete鍵就可以把該區(qū)域中的所有模塊和線等全部刪除；n 轉向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時需要轉向。在菜單Format中選擇Flip Block旋轉180度，選擇Rotate Block順時針旋轉90度?；蛘咧苯影碈trl+F鍵執(zhí)行Flip Block，按Ctrl+R鍵執(zhí)行Rotate Block。n 改變大?。哼x中模塊，對模塊出現(xiàn)的4個黑色標記進行拖曳即可。n 模塊命名：先用鼠標在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，可以用Format菜單中的Flip Name來實

19、現(xiàn)，也可以直接通過鼠標進行拖曳。Hide Name可以隱藏模塊名稱。n 顏色設定： Format菜單中的Foreground Color可以改變模塊的前景顏色，Background Color可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過Screen Color來改變。n 參數(shù)設定：用鼠標雙擊模塊，就可以進入模塊的參數(shù)設定窗口，從而對模塊進行參數(shù)設定。參數(shù)設定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點擊其上的help按鈕。通過對模塊的參數(shù)設定，就可以獲得需要的功能模塊。n 屬性設定：選中模塊，打開Edit菜單的Block Properties可以對模塊進行屬性設定。包括Des

20、cription屬性、 Priority優(yōu)先級屬性、Tag屬性、Open function屬性、Attributes format string屬性。其中Open function屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數(shù)名，則當該模塊被雙擊之后，Simulink就會調用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調函數(shù)。n 模塊的輸入輸出信號：模塊處理的信號包括標量信號和向量信號；標量信號是一種單一信號，而向量信號為一種復合信號，是多個信號的集合，它對應著系統(tǒng)中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數(shù)模塊的輸出都為標量信號，對于輸入信號，模塊都具有一種“智能”的識別功能，能自動進行匹配。某些模塊通過

21、對參數(shù)的設定，可以使模塊輸出向量信號。6SIMULINK應用舉例+以具有雙積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)G（S）為例，該系統(tǒng)的開環(huán)是不穩(wěn)定的，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，使用超前校正環(huán)節(jié)K（S）進行串聯(lián)校正，見圖8-2。- 圖8-2 系統(tǒng)結構框圖在建模之前，你需要創(chuàng)建一個工作區(qū)域。創(chuàng)建一個工作區(qū)域的方法為，選擇File 項，然后再選擇New ，這將開始一個新的窗口，其窗口名為“Untiledl”，可以在該窗口內構造系統(tǒng)模型，并稱這個窗口為工作窗口。為了得到這個系統(tǒng)的階躍響應，可以由兩個傳遞函數(shù)、一個求和點、一個輸入源及兩個輸出觀測點等6個部分組成這個系統(tǒng)。 輸入源的元件位于Sources 庫；傳遞函數(shù)與綜合點方塊都位于線

22、性部分（Linear）庫中。用同樣方法，可將該庫中的Transfer Fcn與Sum圖形拖曳到工作空間，然后關閉Linear庫； 如何得到其仿真的輸出結果。在Sinks庫中有三個功能方塊可用于顯示或存儲輸出結果。Scope 功能塊可以像一臺示波器，實時地顯示任何信號的仿真結果。To Workspace功能塊可以把輸出值以矢量的形式存儲在MATLAB工作空間中，這樣可以在MATLAB環(huán)境下分析與繪制其輸出結果。To File功能塊可以把數(shù)據(jù)存儲到一個給定名字的文件中。用同樣方法，將Scope拖曳到工作空間，并關閉Sinks庫窗口。打開Sum功能塊，在List of Signs處輸入“+”、“”符

23、號。如果綜合點超過了兩個輸入點，只要簡單地輸入其正、負號，即可自動地增加其相應地輸入點。打開StepFcn功能塊，有三個空白框可以填入?yún)?shù)。Steptime是階躍響應的初始時間。此項可填0，即零時刻開始階躍響應。另外兩項為初始值（Initial value）和終值（Final value）。這兩項可分別輸入0和1。打開工作空間功能塊。輸入y作為變量名（Variable name），對應最大行數(shù)項（Maximum number of rows），輸入100。每一行對應一個時間間隔。在系統(tǒng)仿真過程中，可以輸入0到9.9，間隔為0.1，生成100個點。最后，要將這些方塊連接起來。除Sources與Sinks功能塊外，所有其他方塊中至少有一個輸出點，即在方塊旁有一個符號指向外面，也至少有一個輸入點，即在方塊旁有一個符號指向里面，Sources功能塊沒有輸入點，只有輸出點，而