《MATLAB及应用》实验指导书DOC.docx
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《MATLAB及应用》实验指导书DOC
MATLAB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：
>>helpsyntax（了解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：
>>helpsqrt（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：
>>lookforline（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=[111212345678910]
>>X_Data=[2.323.43；4.375.98]
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=[1234]；h=[4321]；
>>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）、’（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=[20–1;132];B=[17–1;423;201];
>>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=B\A%矩阵左除，B\A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，以绘制不同平面图元和实现不同的平面图形绘制功能：
可以使用gridon绘图网格线和holdon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*:
’）
>>gridon%绘制网格线
>>holdon
>>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：
>>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=[715；256；315]，B=[111;222;333]，在命令
窗口中执行下列表达式，掌握其含义：
A（2,3）A*BA.*BA^2A.^2B/AB./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[0,2π]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=[715;256;315];B=[111;222;333];
>>A（2,3）;
>>A（2,3）
ans=
6
>>A*B
ans=
242424
303030
202020
>>A^2
ans=
661766
423370
381346
>>A.^2
ans=
49125
42536
9125
>>B/A
ans=
0.18420.2105-0.2368
0.36840.4211-0.4737
0.55260.6316-0.7105
>>B./A
ans=
0.14291.00000.2000
1.00000.40000.3333
1.00003.00000.6000
>>C=1:
2:
20
C=
135791113151719
>>ones（3）
ans=
111
111
111
>>zeros（3）
ans=
000
000
000
>>ones（2,3）
ans=
111
111
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）;
>>plot（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=[251];
den=[1,2,3];
G=tf（num,den）;
t=0:
0.1:
8;
r=t;
lsim（G,r,t）
figure
（2）
num=[251];
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（[251],[123]）;
lsim（G,u,t）
figure（4）
[u,t]=gensig（'square',4,20,0.2）;
G=tf（[251],[123]）;
lsim（G,u,t）
2：
典型二阶系统如下所示：
其中ωn为自然频率，ζ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：
自然频率wn=2，阻尼比ζ＝-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ζ=0.5，附加零点：
Z=-10，-2，-0.25
wn=2
zn=[-0.100.212]
t=0:
0.1:
9
holdon
fori=1:
length（zn）
sys=tf（wn^2,[1,2*zn（i）*wn,wn^2]）
step（sys,t）
end
holdoff
gridon
gtext（'sigma=-0.1'）;gtext（'sigma=0'）;gtext（'sigma=0.2'）;
gtext（'sigma=1'）;gtext（'sigma=2'）;
zeta=0.5;
wn=[2];
r=[0.1,0.5,4];
t=0:
0.1:
6;
holdon
fori=1:
length（r）
sys1=tf（wn^2/r（i）,[1,2*zeta*wn,wn^2]）;
sys2=tf（[1r（i）],[1]）;
sys=sys1*sys2;
subplot（2,2,i）;
step（sys,t）
end
holdoff
gridon
gtext（'zero=-10'）;
gtext（'zero=-2'）;
gtext（'zero=-0.25'）;
holdon
subplot（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
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/（s2+2s+2）；
2、G（s）=（s3+s2+4）/（s3+3s2+7s）;
3、G（s）=k（s2+2s+4）/[s（s+4）（s+6）（s2+1.4s+1）]
4、.给定控制系统如下图,其中K
0:
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=[10];
den=[122];
rlocus（num,den）
num=[114];
den=[1370];
rlocus（num,den）
num=[conv（[10],[124]）];
den=[conv（conv（conv（[10],[14]）,[16]）,[11.41]）];
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];
p=[0001];
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MATLAB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。
1
num=1
den=[110]
bode（num,den）
figure
（2）
nyquist（num,den）
2
num=[200]
den=conv（[0.041],[0.41]）
bode（num,den）
figure
（2）
nyquist（num,den）
3
num=500*[0.01671]
den=conv（conv（conv（[0.00251],[0.0011]）,[0.051]）,[10]）
G0=tf（num,den）
w=logspace（0,4,50）
bode（G0,w）
margin（G0）
[Gm,Pm,wcp]=margin（G0）
4
num=10
num0=50
den=conv（[11],conv（[0.51],[0.21]））
[num1,den1]=feedback（num,den,1,1）
[num2,den2]=feedback（num0,den,1,1）
figure
nyquist（num,den）
figure
nyquist（num0,den）
figure
impulse（num1,den1,20）
figure
impulse（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？
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