自动控制原理MATLAB仿真实验指导书.docx
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自动控制原理MATLAB仿真实验指导书
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
0.2
1
2
2
1
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。
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。
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（）
formatshorte（）
formatlonge（）
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）
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：
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
x
6.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
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：
>>helpplot
>>lookforplot
实验一MATLAB语言平台（随堂实验）
一、实验目的
1.学习了解MATLAB语言环境；
2.练习MATLAB命令的基本操作；
3.练习m文件的基本操作。
二、实验内容
1.学习了解MATLAB语言环境
（1）MATLAB语言操作界面
开机双击相应图标即可进入MATLAB命令窗口，如图1.1所示。
在命令提示符位置键入命令，完成下述练习。
图1.1MATLAB窗口
（2）练习DOS相似命令
MATLAB语言与DOS操作系统有如下相似的命令，在操作界面上练习这些命令。
dirdir（'c:
\windows'）
typetype
cdcdc:
\matlab6p5\help
（3）MATLAB的数据格式
合法的数据格式有：
short,long,hex,shorte,longe,rational等。
键入
a=pi;b=exp
（1）
由File/Preferences…改变数据格式，观察变量值。
（4）变量查询
变量查询命令有who,whos，查询变量。
（5）路径函数与搜索路径
path路径函数
which文件定位
路径函数path列出MATLAB自动搜索路径清单，执行该命令。
path（path,'newpath'）
addpath（'newpath'）
用于在搜索路径清单中增加新的路径项，练习该命令。
或由File/SetPath…设置路径。
说明：
在命令窗口键入一命令并按下回车键，MATLAB就在搜索路径中搜索相应的命令文件（内部命令和函数除外），找到后就执行该文件，若未找到，就给出错误提示“File'xxxx'notfound.”。
（6）联机帮助
键入
helphelp
阅读help函数的使用说明。
键入
help
列出help项。
查询前面使用过的命令
helpwho
helppath
阅读上述函数的功能、使用格式等。
（7）字符串查询
键入
helplookfor
阅读MATLAB函数lookfor的功能与使用方法，并使用该命令查询相应的关键词字符串。
（8）MATLAB语言演示
键入
demo
MATLAB语言功能演示。
MATLAB命令的基本操作
（1）键入常数矩阵输入命令
a=[123]
a=[1;2;3]
比较显示结果有何不同。
b=[125]
b=[125]；
比较显示结果有何不同。
（2）作循环命令程序
makesum=0;
fori=1:
1:
100
makesum=makesum+i;
end
键入makesum,按回车键,观察计算结果。
（3）分别执行下面命令：
a=[123;456;780]
poly（a）
rank（a）
det（a）
trace（a）
inv（a）
eig（a）
观察显示结果。
使用联机帮助help查阅相应函数的意义和函数的格式。
3.2实验二MATLAB数值运算（随堂实验）
一、实验目的
1.学习MATLAB的基本矩阵运算；
2.学习MATLAB的点运算。
二、实验内容
在下面的实验操作中，认真执行每项操作，掌握其作用和目的。
（1）创建数值矩阵
键入
a=[123;456;789]；
观察
a（3,2）
a（:
1）
键入
t=0:
10；
u=0:
0.1:
10；
观察向量t,u的值。
键入
a（:
3）=[2;3;4]；
a
观察矩阵a的变化。
键入
b=[11+2i;3+4i3]；
观察复数矩阵。
（2）特殊矩阵
键入
a=ones（3,3）；
b=zeros（2,2）；
c=eye（4）；
magic（4）；
观察特殊矩阵。
（3）矩阵运算
键入
a=[010;001;-6-11-6]；
b=[12;34;56]；
c=[110;011]；
作矩阵乘运算：
v1=c*a；
v2=a*b；
v3=c*a*b；
v4=b*c；
v5=c*b；
矩阵乘方运算：
a^2
a^（1/2）
矩阵加减运算：
a1=a+b*c；
a2=c*b-a（1:
2,1:
2）；
a3=a（1:
2,2:
3）+c*b；
矩阵右除（常规除）：
ar=a/b；
矩阵左除：
al=a\b
注意矩阵运算时的维数匹配。
（4）矩阵特征
完成如下矩阵特征运算：
a'inv（a）diag（a）tril（a）triu（a）
poly（a）rank（a）det（a）trace（a）eig（a）
2.MATLAB的点运算
（1）练习点乘与点除
a1=[12;34]；
a2=0.2*a1；
观察
[a1a2]
[a1.*a2a1./a2]
（点乘与点除是数组运算）
（2）正弦、余弦函数
t=0:
2*pi/180:
2*pi；
y1=sin（t）；y2=cos（t）；
y=y1.*y2；
plot（t,[y'y1'y2']
（3）复变函数
w=0.1:
0.1:
2；
g1=（1+0.5*w*i）/（1-0.5*w*i）
g2=（1+0.5*w*i）./（1-0.5*w*i）
plot（g2）;xlabel（'realg2（w）'）;ylabel（'imageg2（w）'）
axis（'square'）
（1）建立多项式向量
ap=[1331]
b=[-1-2-3]
bp=poly（b）
（2）多项式乘与根
p=conv（ap,bp）
root（p）
（3）多项式运算
a=[1234]；b=[1-1]；
c=a+[zeros（1,length（a）-length（b））,b]
poly2str（c,'x'）
polyvalm（a,3）
（1）给定方程组
Ax=Bxn×1,An×n,Bn×1
方程组的解
x=A-1Borx=A\B
方程为
这时不能用第一种方法，A-1只能用于方阵，这时可用广义逆矩阵解：
A=[123;234];B=[1;2];
x=pinv（A）*B
x=
3.3实验三MATLAB绘图（随堂实验）
一、实验目的
1.学习MATLAB的各种二维绘图；
2.学习MATLAB的三维绘图；
3.学习MATLAB的绘图修饰（多种绘图，图形注释，绘图颜色，色图矩阵）。
二、实验内容
在下面的实验操作中，认真执行每项操作，掌握其作用和目的，每个命令的含义和用法查看帮助文件。
（1）向量绘图
x=0:
2*pi/100:
2*pi;
y1=sin（2*x）;y2=cos（2*x）;
plot（x,y1）
plot（x,y2）
plot（x,y1,x,y2）
保持作图：
plot（x,y1）;holdon
plot（x,y2）;holdoff
矩阵作图：
plot（x',[y1'y2']）
设定颜色与线型：
plot（x,y1,'c:
',x,y2,'ro'）
多窗口绘图：
figure
（1）;plot（x,y1）
figure
（2）;plot（x,y2）
子图绘图：
subplot（221）;plot（x,y1）
subplot（222）;plot（x,y2）
subplot（223）;plot（x,y1,x,y1+y2）
subplot（224）;plot（x,y2,x,y1-y2）
复变函数绘图：
w=0.01:
0.01:
10;
g=1./（1+2*w*i）;
subplot（121）;plot（g）
subplot（122）;plot（real（g）,imag（g））
插值绘图：
x=0:
2*pi/8:
2*pi;y=sin（x）;
plot（x,y,'o'）;holdon;
xi=0:
2*pi/100:
2*pi;
yi=spline（x,y,xi）;
plot（xi,yi,'m'）
反白绘图与绘图背景色设定：
whitebg
whitebg（'b'）
whitebg（'k'）
（2）函数绘图
fplot（'sin',[04*pi]）
f='sin（x）';fplot（f,[04*pi]）
fplot（'sin（1/x）',[0.010.1],1e-3）
fplot（'[tan（x）,sin（x）,cos（x）]',[-2*pi,2*pi,-2*pi,2*pi]）
（3）符号函数快捷绘图：
f='exp（-0.5*x）*sin（x）'
ezplot（f,[0,10]）
f='x^2+y^2-9'
ezplot（f）
axisequal
（1）半对数绘图（频率特性绘图）
w=logspace（-1,1）;横坐标对数分度
g=20*log10（1./（1+2*w*I））幅值纵坐标取分贝
p=angle（1./（1+2*w*I））*180/pi相角纵坐标取度
subplot（211）;semilogx（w,g）;grid;幅频特性子图，半对数绘图，加网线
subplot（212）;semilogx（w,p）;grid;相频特性子图，半对数绘图，加网线
（2）极坐标绘图
t=0:
2*pi/180:
2*pi;
mo=cos（2*t）;
polar（t,mo）;
（3）直方图绘图
t=0:
2*pi/8:
2*pi;
y=sin（t）;
bar（t,y）;
（4）离散棒图
t=0:
2*pi/8:
2*pi;
y=sin（t）;
stem（t,y）;
（5）阶梯图
t=0:
2*pi/8:
2*pi;
y=sin（t）;
stairs（t,y）;
（6）彗星绘图
t=-pi:
pi/200:
pi;
comet（t,tan（sin（t））-sin（tan（t）））;
fplot（'[sin（t）,cos（t）]',[0,5]）;
title（'曲线'）
xlabel（'时间t'）;ylabel（'幅值y'）;
gtext（'正弦函数'）;
gtext（'余项函数'）;
grid
（1）三维线图
t=0:
pi/50:
10*pi;
plot3（sin（t）,cos（t）,t）;
comet3（sin（t）,cos（t）,t）;
（2）单变量高度网线图
Z2=[11;1–1];
Z4=[Z2Z2;Z2–Z2];
Z8=[Z4Z4;Z4–Z4];
mesh（Z8）
（3）3变量马鞍面网线图
x=-4:
0.5:
4;y=x;
[X,Y]=meshgrid（x,y）;
Z=X.^2-Y.^2;
mesh（X,Y,Z）
（4）圆锥面网线图
t1=0:
0.1:
0.9;
t2=0:
0.1:
2;
r=[t1,-t2+2];
[x,y,z]=cylinder（r,40）;
mesh（x,y,z）
（5）视角修饰
t1=0:
0.1:
0.9;
t2=0:
0.1:
2;
r=[t1,-t2+2];
[x,y,z]=cylinder（r,40）;
mesh（x,y,z）
subplot（2,2,1）;mesh（x,y,z）;view（0,0）;
subplot（2,2,2）;mesh（x,y,z）;view（-20,20）;
subplot（2,2,3）;mesh（x,y,z）;view（-30,30）;
subplot（2,2,4）;mesh（x,y,z）;view（-40,40）;
（6）暖色（hot）色图
peaks（20）;
axis（'off'）;
colormap（hot）;
colorbar（'horiz'）;
（7）光照修饰
surfl（peaks（20））;
colormap（gray）;
shadinginterp;
（8）透视与消隐
P=peaks（30）;
subplot（121）;mesh（P）;hiddenoff;
subplot（122）;mesh（P）;hiddenon;
3.4实验四MATLAB句柄绘图（自学）
一、实验目的
1.学习图形对象（griphics）和句柄（handle）的基本知识；
2.学习图形对象属性（objectproperties）的获得与设置；
3.基本句柄绘图（handlegriphics）操作；
二、句柄绘图的基本原理
根屏幕（Root）
图形窗口（Figure）
界面控制（Uicontrol）
界面菜单（Uimenu）
轴（Axes）
线（Line）
块（Patch）
面（Surface）
像（Image）
字（Text）
h=figure（n）；n为窗口号数
h=uicontrol（'property',value）；确定控制类型
h=uimenu（'property',value）；确定菜单形式
h=axes（'position',[left,bottom,width,height]）；丁一周对象的位置与大小
h=line（x,y,z）；x,y用于二维画线，x,y,z用于三维画线
h=patch（x,y,z,c）；x,y,z定义多边形，c确定填充颜色
h=surface（x,y,z,c）；x,y,z确定三维曲面，c为颜色矩阵
h=image（x）；x为图像数据矩阵
h=text（x,y,'string'）；x,y确定标注位置，'string'为标注字符串
图形对象创建函数均为底层函数，注意变量格式。
句柄（handle）是图形对象的标识代码，图形对象的属性信息全部包含在句柄中。
各图形对象句柄的数据格式为：
对象名称
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