《MATLAB及应用》实验指导书DOC.docx

1、MATLAB及应用实验指导书DOCMATLAB及应用实验指导书实验一 MATLAB使用基础一、 实验目的1、 熟悉MATLAB基本的操作界面。2、 掌握MATLAB中变量、数组、向量等对象的生成方法。3、 掌握符号矩阵的生成和基本运算方法。4、 掌握MATLAB中平面绘图方法。5、 掌握MATLAB中的常用帮助命令使用方法。二、 实验设备计算机，MATLAB语言环境三、实验基础理论1、常见数学函数2、 系统的在线帮助（1） help 命令： 1）.当不知系统有何帮助内容时，可直接输入 help以寻求帮助: help（回车） 2）.当想了解某一主题的内容时，如输入： help syntax （了

2、解 Matlab 的语法规定） 3）.当想了解某一具体的函数或命令的帮助信息时，如输入： help sqrt （了解函数 sqrt 的相关信息） （2） lookfor 命令 现需要完成某一具体操作，不知有何命令或函数可以完成，如输入： lookfor line （查找与直线、线性问题有关的函数） 3、常量与变量 系统的变量命名规则：变量名区分字母大小写；变量名必须以字母打头，其后可以是任意字母，数字，或下划线的组合。此外，系统内部预先定义了几个有特殊意义和用途的变量，见下表： （1） 数值型向量（矩阵）的输入 1）任何矩阵（向量），可以直接按行方式输入每个元素：同一行中的元素用逗号（，）或者

3、用空格符来分隔；行与行之间用分号（；）分隔。所有元素处于一方括号（ 内； 例1： Time = 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X_Data = 2.32 3.43；4.37 5.98 2）系统中提供了多个命令用于输入特殊的矩阵： 4、 数组（矩阵）的点运算 运算符：+（加）、-（减）、./（右除）、.（左除）、.（乘方）， 例2： g = 1 2 3 4；h = 4 3 2 1； s1 = g + h, s2 = g.*h, s3 = g.h, s4 = g.2, s5 = 2.h 5、矩阵的运算 运算符：+（加）、-（减）、*（乘）、/（右除）、（左除）、（乘方）、（

4、转置）等； 常用函数：det（行列式）、inv（逆矩阵）、rank（秩）、eig（特征值、特征向量）、rref（化矩阵为行最简形）例3： A=2 0 1;1 3 2; B=1 7 1;4 2 3;2 0 1; M = A*B % 矩阵 A与 B 按矩阵运算相乘 det_B = det(B) % 矩阵 A的行列式 rank_A = rank（A） % 矩阵 A的秩 X = A/B % 矩阵右除 ，A/B是B左乘A的逆 Y = BA % 矩阵左除，BA其计算结果是矩阵B的逆和矩阵A相乘6、平面绘图 MATLAB 能绘制表现非常丰富的平面图形，以下是一些常用的 MATLAB 绘图函数，以绘制不同平面

5、图元和实现不同的平面图形绘制功能： 可以使用 grid on 绘图网格线和 hold on 同时绘制两个图形，还可以给图形加上各种注解和 处理：例4：x=-2*pi:pi/10:2*pi; y=sin(x); plot(x,y,r*:) grid on % 绘制网格线 hold on y2=2*cos(x); plot(x,y2,b+-) xlabel(x 轴); %x 轴注解 ylabel(y 轴); %y 轴注解 title(正弦和余弦函数);%图形标题 legend(y = sin(x),y2 = cos(x);%图形注解 （2）MATLAB 还可以在同一图形窗口完成多个子图的功能，如：

6、 x=-2*pi:pi/10:2*pi; y=sin(x); y2=cos(x);y3=2*cos(x); y4=sin(x)+cos(x);subplot(2,2,1); plot(x,y,r*:) subplot(2,2,2); plot(x,y2,b+-) subplot(2,2,3); plot(x,y3,gp:) subplot(2,2,4) plot(x,y4,kx) 四、实验内容与步骤： 1练习数据和符号的输入方式，将前面的命令在命令窗口中执行通过； 2输入 A=7 1 5；2 5 6；3 1 5，B=1 1 1; 2 2 2; 3 3 3，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义

7、： A(2, 3) A*B A.*B A2 A.2 B/A B./A 3输入 C=1:2:20，则C（i）表示什么？其中 i=1,2,3,10； 4. 建立全1矩阵（ones)；建立对角线为1的矩阵（eye) zeros(3) ones(2,3)5. 练习把 y = sin( x ). / x ， z = cos(x ) ， u = 2* sin( x ) ， v = sin( x ) ./ cos( x ) 在 0 , 2 区间内的四个子图分别用不同的颜色、 点型和线型绘制在同一个窗口中， 并给其中加上纵坐标,标题、图例和网格线。 A=7 1 5;2 5 6;3 1 5;B=1 1 1; 2

8、 2 2; 3 3 3; A(2, 3) ; A(2, 3) ans = 6 A*B ans = 24 24 24 30 30 30 20 20 20 A2 ans = 66 17 66 42 33 70 38 13 46 A.2 ans = 49 1 25 4 25 36 9 1 25 B/A ans = 0.1842 0.2105 -0.2368 0.3684 0.4211 -0.4737 0.5526 0.6316 -0.7105 B./A ans = 0.1429 1.0000 0.2000 1.0000 0.4000 0.3333 1.0000 3.0000 0.6000 C=1:2

9、:20C = 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 ones(3)ans = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 zeros(3) ans = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ones(2,3)ans = 1 1 1 1 1 1 x=-2*pi:pi/10:2*pi; y=sin(x)./x; z=cos(x); u=2*sin(x); v=sin(x)./cos(x); subplot(2,2,1); plot(x,y,rp)subplot(2,2,2); plot(x,z,b*) subplot(2,2,3); plot(x,u,g:) subplot(2,2,4); pl

10、ot(x,v,y-)五、实验报告要求：1、简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程2、总结实验中的主要结论、实践技能和心得体会3、附上实验过程中所用的程序实验二 控制系统的时域分析一、 实验目的1、 熟悉控制系统的时域分析方法；2、 掌握常用连续信号的MATLAB描述方法；3、 掌握控制系统的时域响应的MATLAB编程求解方法；4、 利用MATLAB为工具，通过控制系统定性及定量分析了解参数变化对动态特性的影响。二、 实验设备计算机，MATLAB语言环境三、实验内容与步骤：1：已知系统模型如下： MATLAB编程求出该系统在单位速度信号、单位加速度、正弦信号、方波的响应曲线。num=2 5

11、1;den=1,2,3;G=tf(num,den);t=0:0.1:8;r=t;lsim(G,r,t)figure(2)num=2 5 1;den=1,2,3;G=tf(num,den);r=1/2*t.2;lsim(G,r,t)figure(3)u,t=gensig(sin,4,20,0.2);G=tf(2 5 1,1 2 3);lsim(G,u,t)figure(4)u,t=gensig(square,4,20,0.2);G=tf(2 5 1,1 2 3);lsim(G,u,t)2：典型二阶系统如下所示： 其中n为自然频率，为阻尼系数。要求:（1）仿真观察对时域响应的影响。 实验参数选择：

12、自然频率wn=2，阻尼比-0.1，0, 0.2, 1, 2（2）仿真观察附加闭环零点对时域响应的影响：附加零点，设系统传递函数为参数设置：自然频率wn=2，阻尼比=0.5，附加零点： Z = -10，-2，-0.25wn=2zn=-0.1 0 0.2 1 2t=0:0.1:9hold onfor i=1:length(zn)sys=tf(wn2,1,2*zn(i)*wn,wn2)step(sys,t)endhold offgrid ongtext(sigma=-0.1); gtext(sigma=0); gtext(sigma=0.2);gtext(sigma=1); gtext(sigma=

13、2); zeta=0.5;wn=2;r=0.1,0.5,4;t=0:0.1:6;hold onfor i=1:length(r)sys1=tf(wn2/r(i),1,2*zeta*wn,wn2);sys2=tf(1 r(i),1);sys=sys1*sys2;subplot(2,2,i);step(sys,t)endhold offgrid ongtext(zero=-10);gtext(zero=-2);gtext(zero=-0.25);hold onsubplot(2,2,4);step(sys1);gtext(原始系统);四、实验报告要求：1、简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程

14、2、总结出二阶系统参数变化对时域系统响应特性影响的规律。3、总结实验中的主要结论、实践技能和心得体会4、附上实验过程中所用的程序。实验三 控制系统的根轨迹图一、 实验目的1、 熟悉控制系统的根轨迹图分析方法；2、 掌握控制系统的根轨迹图的MATLAB编程求解方法；3、 利用MATLAB为工具，通过根轨迹图分析控制系统性能。二、 实验设备计算机，MATLAB语言环境3、实验内容与步骤：利用MATLAB编程绘制下例各控制系统根轨迹：1、 G（s）=ks/(s 2+2s+2)；2、G（s）=(s3+s2+4)/(s3+3s2+7s);3、G(s)=k(s2+2s+4)/s(s+4)(s+6)(s2+

15、1.4s+1)4、.给定控制系统如下图,其中K0:画出系统的根轨迹图，1）准确记录根轨迹的起点、终点与根轨迹条数；2）确定根轨迹的分离点与相应的K值；3）确定稳定时的K取值范围；4）分析K取值对系统阻尼特性的影响。num=1 0;den=1 2 2;rlocus(num,den)num=1 1 4;den=1 3 7 0;rlocus(num,den)num=conv(1 0,1 2 4);den=conv(conv(conv(1 0,1 4),1 6),1 1.4 1);rlocus(num,den) 控制系统框图4、 一种具有高性能的机器手的微型机器人的传递函数为： z=-1 -2 -3;

16、p=0 0 0 1;k=1;sys=zpk(z,p,k);rlocus(sys)（1）画出系统的根轨迹图。（2）求使闭环系统稳定的增益范围。四、实验报告要求迹图；1、简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程2、总结实验中的主要结论、实践技能和心得体会, 总结出MATLAB对系统轨迹分析的帮助3、附上实验过程中所用的程序。实验四 控制系统的频率特性分析一、 实验目的1、 熟悉控制系统的频域分析方法；2、 掌握控制系统伯德图和奈奎斯特图的MATLAB编程求解方法；3、 以MATLAB为工具，利用频域分析法分析控制系统性能。二、 实验设备计算机，MATLAB语言环境三、实验内容与步骤：利用MATL

17、AB编程绘制下例各控制系统伯德图和奈奎斯特图：1、 G=1/s(s+1);2、 G(s)=(2s2)/(0.04s+1)(0.4s+1);3、 一系统开环传递函数为：，绘制系统伯德图，并求出系统的相角稳定裕量和幅值稳定裕量。4、已知单位负反馈控制系统开环传递函数为：，试用奈奎斯特稳定判据判定开环放大系数K为10和50时闭环系统的稳定性，并求系统脉冲响应。四、实验报告要求：1、简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程2、总结实验中的主要结论、实践技能和心得体会, 总结出MATLAB对系统频域分析的帮助3、附上实验过程中所用的程序。1num=1den=1 1 0bode(num,den)figu

18、re(2)nyquist(num,den)2num=2 0 0den=conv(0.04 1,0.4 1)bode(num,den)figure(2)nyquist(num,den)3num=500*0.0167 1den=conv(conv(conv(0.0025 1,0.001 1),0.05 1),1 0)G0=tf(num,den)w=logspace(0,4,50)bode(G0,w)margin(G0)Gm,Pm,wcp=margin(G0)4num=10num0=50den=conv(1 1,conv(0.5 1,0.2 1)num1,den1=feedback(num,den,

19、1,1)num2,den2=feedback(num0,den,1,1)figurenyquist(num,den)figurenyquist(num0,den)figureimpulse(num1,den1,20)figureimpulse(num2,den2,20)开环放大系数K为10开环放大系数K为50实验五 控制系统的校正一、 实验目的1、学习控制系统工具箱Simulink;2、建立SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联超前校正实验；3、建立SIMULINK动态结构图对控制系统进行PID参数整定实验。二、 实验设备计算机，MATLAB语言环境三、实验内容与步骤：1、串联超前校正实验：1）设控制系统如图所示，建立Simulink动态结构图，观察其响应曲线。 2）加入超前校正装置 ， 进行串联超前校正设计，观察响应曲线，进行校正前后系统性能指标对比。2、PID参数整定2.已知被控对象传递函数为试用Z-N整定方法确定PID控制器的参数，并绘制整定后系统阶跃响应曲线。四、实验报告要求：1、简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程2、超前校正对改善系统性能有什么作用？什么情况下不宜采用串联超前校正？3、调整PID各参数对系统性能有什么影响？