Matlab计算机仿真实验指导书.docx

1、Matlab计算机仿真实验指导书 电信学院自动控制系 李小华 魏 东 2005 年1 月 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18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

2、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

3、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

4、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Your variables are:a ans b c whos %列出工作空间中变量，同时包括变量详细信息 Name Size Byte

5、s Class a 1x1 8 double array ans 1x1 8 double array b 1x1 8 double array c 1x3 24 double arrayGrand total is 6 elements using 48 bytessave test %将工作空间中变量存储到test.mat文件中load test %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

6、数（M文件）所在的目录如：which abc 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： lookfor Lyapunov 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=1 0 3;0 1 6;1 2 1，b=-1 0 0;2 3 1;0 5 0.3矩阵运算:a+b a-b a*b a.*b a/b a2 a.2关系运算:ab

7、 aaxis(0,2,0,4)axis square2.二维图形的绘制（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=0 0.6 2.3 5 8.3 11.7 15 17.7 19.4 20;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

8、 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num=4*conv(1,2,conv(1, 6, 6,1, 6, 6);den=conv(1,0,conv(1,1,conv(1,1,conv(1,1,1,3,2,5);表示下列传递函数模型（2）零极点模型G(s)= 将零点、极点及K值输入即可建立零极点模型。 z=-z,-z

9、,-z p=-p,-p ,-p k=k多项式求根的函数：roots ( )调用格式： z=roots(a)其中：z 各个根所构成的向量 a 多项式系数向量两种模型之间的转换函数：z ,p ,k=tf2zp(num , den);num , den =zp2tf(z ,p ,k)（3）状态方程模型A=0 1;-1 2;B=0;1;C=0 1;D=0;s=ss(A,B,C,D);系统状态方程转换为系统零极点模型及传递函数模型的函数。num , den=ss2tf(A ,B ,C ,D , iu ) %iu表示输入的序号（对多输入系统）z, p ,k=ss2zp(A ,B ,C ,D , iu )

10、%z ,p ,k 表示对第iu个输入信号的传递函数的零极点。A , B ,C ,D= tf2ss (num , den)A , B ,C ,D=zp2ss(z ,p ,k)（4）feedback()函数：系统反馈连接调用格式：sys=feedback(s1,s2,sign)2.控制系统的稳定性分析方法（1）求闭环特征方程的根；（2）化为零极点模型，看极点是否在s右半平面；（3）对状态空间形式（闭环），求A阵的特征值eig(A)；判断如下系统的稳定性：可编程如下：numg=1; deng=1 1 2 23;numf=1; denf=1;num,den= feedback(numg,deng,nu

11、mf,denf,-1); roots(den)判断状态空间形式描述的系统的稳定性，两个输入。A=0 1 1；-6 11 6；-6 11 5；B=0 0 1；C=1 0 0； D=0；,=ss2zp(A,B,C,D,1),=ss2zp(A,B,C,D,2)ii=find(real()0), =length(ii);ii1= find(real()0), =length(ii1);if (+0),disp(system is Unstable)else disp(system is Stable);end3.控制系统根轨迹绘制rlocus() 函数：功能为求系统根轨迹rlocfind():计算给定

12、根的根轨迹增益sgrid()函数：绘制连续时间系统根轨迹和零极点图中的阻尼系数和自然频率栅格线4.控制系统频域分析基本方法（1）Bode图：bode()函数（2）Nyquist图：nyquist()函数（3）稳定裕度计算：margin( )函数综合应用：A=0 1 1；-6 11 6；-6 11 5；B=0 0 1；C=1 0 0； D=0；=logspace(-1,1)；m,p=bode(A,B,C,D,1,)subplot(211),semilogx(,20*log10(m)；subplot(212),semilogx(,p)；X,Y=nyquist(A,B,C,D,1,);plot(X,

13、Y)，=margin(A,B,C,D)5.线性系统时间响应分析step( )函数-求系统阶跃响应impulse( )函数：求取系统的脉冲响应lsim( )函数：求系统的任意输入下的仿真三、实验报告要求：1自己设计出各种函数使用的具体例子；2编出程序并运行，完成下面的练习题：求下面系统在阶跃信号为0.11(t)时系统的响应。并求系统性能指标：稳态值、上升时间、调节时间、超调量实验五 采用SIMULINK的系统仿真一、实验目的及要求：1.熟悉SIMULINK 工作环境及特点2.掌握线性系统仿真常用基本模块的用法3.掌握SIMULINK 的建模与仿真方法二、实验内容：1 了解SIMULINK模块库中

14、各子模块基本功能 连续系统模块 离散系统模块 函数与表模块 数学模块 非线性模块 信号与系统模块 输出模块 输入源模块 子系统模块微分积分积分步长延时状态空间模型传递函数模型传输延迟可变传输延迟零极点模型 直接查询表函数功能块MATLAB函数S函数（系统函数） 绝对值点乘增益逻辑运算符号函数相加点 死区特性手动开关继电器特性饱和特性开关模块 信号分离模块信号复合模块 输出端口示波器模块 输出仿真数据到文件输出仿真数据到工作空间 通过实验熟悉以上模块的使用。2. SIMULINK 的建模与仿真方法（1）打开模块库，找出相应的模块。鼠标左键点击相应模块，拖拽到模型窗口中即可。（2）创建子系统：当模

15、型大而复杂时，可创建子系统。（3）模块的封装：（4）设置仿真控制参数。3SIMULINK仿真实际应用（1）双环调速的电流环系统的方框图模型为：建立该模型并在单位阶跃信号作用下进行仿真，计算仿真结果的超调量、上升时间、调节时间、稳态误差。（2）PID控制器的仿真实现控制对象的开环传递函数如下图；加入PID控制器，求系统单位负反馈闭环单位阶跃响应，要求通过调节器的作用使系统满足超调量20%，上升时间3s，调节时间10s的要求。使输出曲线如下图。要求加入的PID控制器封装成一个模块使用。三、实验报告要求：1实验前写出实验准备报告，自己设计练习的内容，列出具体的上机实例。2 针对具体实例写出上机的结果

16、，体会其使用方法。实验六 控制系统工具箱的使用一、实验目的及要求：1.了解控制系统工具箱的基本概况2.掌握控制系统工具箱的基本用法二、实验内容：1了解MATLAB工具箱的基本功能概况每个工具箱中有一个Contents文件，在文件中将该工具箱里的所有函数其作用功能一一列出，可以在使用前先看此文件，找到要用的函数后，在命令空间里键入help 文件名，即可查到相应函数的调用格式。例如控制系统工具箱中包括以下几类函数：*连续系统和离散系统设计；*状态空间和传递函数；*模型转换；*频域响应：Bode图、Nyquist图、Nichols图；*时域响应：脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应等；*根轨迹、极点配置、L

17、QG控制。打开 matlab6p1toolboxcontrolcontrolcontents.m2了解控制系统工具箱的基本用法在命令窗口中运行ltidemo分别执行模型建立、离散时间模型、访问模型数据、模型连接、模型类型转换、连续离散转换等演示。熟悉工具箱中函数用法。3了解LTI Viewer基本用法MATLAB提供了一个图形化的模型分析工具LTI Viewer，通过它可以方便的进行系统各种LTI分析及仿真。在命令窗口中输入ltiviewer运行该程序。从菜单中选取FileImport,从工作空间中导入一个LTI对象进行分析。可以先运行load ltiexamples 调入系统提供的一些LTI对象。4补偿设计器sisotool的使用在命令空间中输入sisotool既可进入SISO补偿设计窗口，也可直接指定设计对象，调用形式为sisotool(sys)。三、实验报告要求：1实验前写出实验准备报告，设计出具体的应用实例；2运行实例，写出上机的结果，并体会其用法。