控制工程MATLAB实验报告.docx
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控制工程MATLAB实验报告
浙江科技学院
机电系统开放性实验
设计题目：
MATLAB控制机电系统实分析
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机制122
学生姓名：
王朝旭
指导老师：
高俊
2014年05月30日
实验一MATLAB语言基本命令
1实验目的
1.掌握科学计算的有关方法，熟悉MATLAB语言及其在科学计算中的运用；
2.掌握MATLAB的命令运行方式和M文件运行方式；
3.掌握矩阵在MATLAB中的运用。
2实验器材
计算机WinXP、Matlab7.0软件
3实验内容
（1）.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（:
2）A（3,:
）A（:
1:
2:
3）
A（:
3）.*B（:
2）A（:
3）*B（2,:
）A*BA.*B
A^2A.^2B/AB./A
（2）.输入C=1:
2:
20，则C（i）表示什么？
其中i=1,2,3,…,10；
（3）.查找已创建变量的信息，删除无用的变量；
（4）.试用help命令理解下面程序各指令的含义：
clear
t=0:
0.001:
2*pi;
subplot（2,2,1）;
polar（t,1+cos（t））
subplot（2,2,2）;
plot（cos（t）.^3,sin（t）.^3）
subplot（2,2,3）;
polar（t,abs（sin（t）.*cos（t）））
subplot（2,2,4）;
polar（t,（cos（2*t））.^0.5）
4实验步骤：
打开MATLAB程序，将实验内容中的题目依次输入MATLAB中，运行得到并记录结果，最后再对所得结果进行验证。
5实验报告内容
（1）>>A=[715;256;315]
A=
715
256
315
>>B=[111;222;333]
B=
111
222
333
>>A（2,3）“取矩阵A中第二行第三列的元素”
ans=
6
>>A（:
2）“取矩阵A中第二列的元素”
ans=
1
5
1
>>A（3,:
）“取矩阵A中第三行的元素”
ans=
315
>>A（:
1:
2:
3）“使矩阵的第一列到第二列，第二例到第三列，构成新的2*3的矩阵”
ans=
75
26
35
>>A（:
3）.*B（:
2）“取矩阵A的三列和B的第二列，对应元素一次相乘”
ans=
5
12
15
>>A（:
3）*B（2,:
）“取矩阵A的三列和B的第二行，对应元素进行叉乘”
ans=
101010
121212
101010
>>A*B“矩阵进行叉乘”
ans=
242424
303030
202020
>>A.*B“两矩阵对应元素相乘”
ans=
715
41012
9315
>>A^2“矩阵A叉乘上矩阵A”
ans=
661766
423370
381346
>>A.^2“举证A中的元素翻倍”
ans=
49125
42536
9125
>>B/A“矩阵B除以矩阵A”
ans=
0.18420.2105-0.2368
0.36840.4211-0.4737
0.55260.6316-0.7105
>>B./A“两矩阵对应元素相除”
ans=
0.14291.00000.2000
1.00000.40000.3333
1.00003.00000.6000
（2）>>C=1:
2:
20
C=
135791113151719
C（i）表示奇数2*i-1
（3）查找已创建变量的信息，删除无用的变量
clear“清除”
t=0:
0.001:
2*pi;“定义时间向量”
subplot（2,2,1）;“定义多块图画的绘图位置”
polar（t,1+cos（t））“绘制函数图像”
subplot（2,2,2）;
plot（cos（t）.^3,sin（t）.^3）
subplot（2,2,3）;
polar（t,abs（sin（t）.*cos（t）））
subplot（2,2,4）;
（4）
polar（t,（cos（2*t））.^0.5）
实验二MATLAB控制系统工具箱使用
1实验目的
（1）了解Matlab控制系统工具箱中常用函数.
（2）掌握模型转换方法以及奈氏图、伯德图的绘制。
（3）掌握系统脉冲、阶跃等响应的仿真方法
2实验器材
计算机Win7、Matlab7.0软件
3实验内容
（1）利用residue函数求取传递函数的部分分式展开式
（2）利用tf函数构建系统传递函数
（3）利用impulse、step、lsim等函数仿真系统的单位脉冲、阶跃、速度响应。
（4）画出单位负反馈的开环传递函数的在频率0.01-100rad/s间的伯德图
（5）画出系统的乃奎斯特图
4实验步骤及内容
（1）写出传递函数
的部分展开式
a.列些分子num、分母den的系数
b.利用residue（num,den）求出零极点和余项
实验运行结果：
r=[1.00002.5000-3.00000.5000]p=[-4.000-3.0000-2.000-1.0000]k=1
（2）对于系统
A.首先利用conv函数展开分母，获得各阶系数，此时num=[1421];
den=conv（conv（conv（[100],[31]）,conv（[12],[12]））,[5038]）
b.再利用tf函数构建传递函数
运行结果:
G（S）=
（3）a.用tf（num,den）函数构建高阶系统传递函数
b.构建时间向量t
c用函数impulse及step仿真系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应
d.用lism函数仿真系统速度响应
e.程序调试成功后实验结果：
Aimpulse单位脉冲信号实验结果
Bstep单位阶跃信号仿真结果
Clism函数仿真系统速度响应
（4）绘制单位负反馈的开环传递函数
的伯德图。
a.写出num，den
b.用logspace函数设定频率范围
c利用bode函数输入幅值增益、相位
d.把增益值转换为分贝值
e.添加网格线，并生成二行一列的图表
f.用semilogx在两个图标中分别生成幅值频率和相频特性曲线。
g.用margin函数获取开环的幅值裕量和相位裕量。
h.程序调试后写入实验报告
margin函数获取开环的幅值裕量和相位裕量。
Gm=InfPm=126.0768wcg=NaNwcp=7.2725
实验三MATLAB数字控制器设计初步
1实验目的
（1）掌握离散信号z变换和z逆变换的matlab方法
（2）掌握离散系统的系统函数零极点分布与系统频率特性的matlab实现方法
（3）掌握matlab计算差分方程的方法。
2实验器材
计算机Win7、Matlab7.0软件
3实验内容
（1）找到matlab的符号运算工具箱提供的z变换函数ztrans与反变换函数iztrans，通过help理解其用法，并掌握符号表达式的构建和应用。
F=ztrans（f）%求符号函数f的z变换，返回函数的自变量为z；
F=ztrans（f,w）%求符号函数f的z变换，返回函数的自变量为w；
F=ztrans（f,k,w）%对自变量为k的符号函数f求z变换，返回函数的自变量为w。
f=iztrans（F）%对自变量为z的符号函数F求逆z变换，返回函数的自变量为n；
f=iztrans（F,k）%对自变量为z的符号函数F求逆z变换，返回函数的自变量为k；
f=iztrans（F,w,k）%对自变量为w的符号函数F求逆z变换，返回函数的自变量为k。
4实验步骤及实验内容
（1）.已知序列
，求其z变换。
解：
在命令窗口中输入如下命令，即可完成f（k）的z变换
>>symsk
>>f=sym（'2^（-k）'）;%定义序列
>>F=ztrans（f）%求z变换
F=
z/（z-1/2）
（2）已知一离散系统的系统函数
，求其冲激响应h（k）。
解：
运行如下M文件，
symskz
H=sym（'z/（z^2+3*z+2）'）;
h=iztrans（H,k）%求逆z变换
h=
（-1）^k-（-2）^k
（3）MATLAB的zplane函数用于系统函数的零极点图的绘制,调用方式为：
zplane（b,a）其中，b、a分别为系统函数分子、分母多项式的系数向量
例.已知一离散系统的系统函数
，试绘制其零极点图。
解：
在MATLAB的命令窗口中输入如下命令，即可得到其零极点图（图7-1）。
>>a=[132];
>>b=[1-0.70.1];
>>zplane（b,a）%绘制其零极点图
（4）若描述离散系统的差分方程为
，已知激励
，初始状态y（-1）=1,y（-2）=0，求系统的零输入响应，零状态响应。
【解】将差分方程两边取z变化的
，进整理，得
，前一部分为零输入响应，后一部分为零状态响应。
将y（-1）=1,y（-2）=0代入第一部分，则零输入响应的表达式为
，因此经过z的逆变化得，
同理，则零状态激励响应响应的表达式为
，
如果直接利用iztrans函数进行编程求解如下
clc
symsz
y=0.5*（1/z-1）/（1+1/2*z-1/2*z^2）
y=iztrans（y）
结果：
1/2*charfcn[1]（n）-3/4*charfcn[0]（n）+1/12*2^n+2/3*（-1）^n
（5）已知
，通过部分分式展开法求F（z）。
F=sym（'（s+2）/（s*（s+1）^2*（s+3））'）;%传递函数F（s）进行符号定义
[numF,denF]=numden（F）;%提取分子分母
pnumF=sym2poly（numF）;%将分子转化为一般多项式
pdenF=sym2poly（denF）;%将分母转化为一般多项式
[R,P,K]=residue（pnumF,pdenF）%部分分式展开
对应部分分式分解结果为：
实验四控制系统数学模型的MATLAB实现
（用MATLAB展开及合并部分分式）
1实验目的
（1）掌握matlab展开部分分式的方法
2实验器材
计算机Win7、Matlab7.0软件
3实验步骤及实验内容
（1）用matlab展开部分分式
用num和den分别表示G（s）的分子和分母多项式，即
MATLAB提供函数reside用于实现部分分式展开，其句法为
[r,p,k]=reside（num,den）其中，r,p分别为展开后的留数及极点构成的列向量；k为余项多项式行向量。
若无重极点，MATLAB展开后的一般形式为：
若存在q个重极点p（j），则展开式将包括下列各式：
4实验步骤及实验内容
（1）求下式的部分分式展开
解：
>>num=[111395226];
>>den=[110355024];
>>[r,p,k]=residue（num,den）
r=
1.0000
2.5000
-3.0000
0.5000
p=
-4.0000
-3.0000
-2.0000
-1.0000
k=
1
所以展开式为：
函数residue也可用于将部分分式合并，其句法为
[num,den]=residue（r,p,k）
>>r=[1234]';p=[-1-2-3-4]';k=0
k=
0
>>[num,den]=residue（r,p,k）
num=
107015096
den=
110355024
所以合并式为：
实验报告总结：
通过本次实验，培养了一定的动手能力以及一定的交流能力和团队精神，具备了对本专业、本行业等方面的大系统的理解、掌控能力。
初步掌握机械设计制造、计算机与电子科学、电气与自动控制、网络与信息检索、传感与检测等基础知识和技术，具有机械工程产品与系统的设计和应用能力。
通过本开放实验，初步掌握MATLAB仿真应用软件的建模，仿真方法与过程。
同时也通过本次实验，了解了自身的不足，还需要多多学习。
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