MATLAB基础应用与系统仿真实验指导书新编225.docx
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MATLAB基础应用与系统仿真实验指导书新编225
北方民族大学
《MATLAB基础应用与系统仿真》
实验指导书
主编王福平
西北第二民族学院电气信息工程学院
二○○七年三月
目 录
MATLAB基础应用与系统仿真实验教学大纲………………………………………3
实验一 MATLAB语言基础实验……………………………………………………5
实验二 MATLAB数值运算实验……………………………………………………9
实验三 MATLAB符号运算实验……………………………………………………13
实验四 MATLAB图形绘制实验……………………………………………………16
实验五 系统控制仿真
（一）实验………………………………………………19
实验六 系统控制仿真
（二）实验………………………………………………21
实验七 SIMULINK仿真分析………………………………………………………25
《MATLAB基础应用与系统仿真》实验教学大纲
适用专业：
信息工程
课程类别：
专业任选课
课程性质：
选修课
实验类别：
专业实验
一、学时与学分
1.课程总学时：
54
2.课程总学分：
2.5
3.实验学时：
12
4.实验学分：
0
二、实验教学目标与基本要求
本课程是实践性极强的课程，实验教学可以加深学生对理论教学内容的理解，提高学习的兴趣和动手能力，上机操作是本课程重要的教学环节，学生只有通过上机实习，才能领会MATLAB中众多功能，达到熟练应用的程度。
通过实验教学要求学生初步掌握应用MATLAB语言进行控制系统仿真分析与研究。
三、内容简介
实验内容包括：
（12学时）
实验一：
MATLAB语言基础实验
实验二：
MATLAB数值运算实验
实验三：
MATLAB符号运算实验
实验四：
MATLAB图形绘制实验
实验五：
系统控制仿真
（一）实验
实验六：
系统控制仿真
（二）实验
实验七：
SIMULINK仿真分析
四、参考教材
西北第二民族学院电信系自编的《MATLAB语言与控制系统仿真指导书》
五、考核方式
实验成绩以实验课表现和实验报告为评判，实验成绩占课程总成绩的30%。
六、实验设备及器材配置
计算机及MATLAB软件
七、试验项目一览
适用专业、年级
信息工程专业三、四年级
总学时／实验学时
54／12
序号
实验项目名称
实验内容摘要
学时
实验
要求
实验
类型
每组
人数
面向专业编号
备注
1
MATLAB语言基础实验
熟悉MATLAB软件环境和基本操作命令
2
必做
验证型
1
2
MATLAB数值运算实验
熟悉MATLAB数值运算方法
2
必做
验证型
1
〃
3
MATLAB符号运算实验
熟悉MATLAB符号运算方法
2
选做
验证型
1
〃
4
MATLAB图形绘制实验
掌握熟悉MATLAB图形绘制方法
2
必做
验证型
1
〃
5
系统控制仿真实验
（一）
掌握控制系统的阶跃、脉冲响应曲线分析
2
必做
综合性
1
〃
6
系统控制仿真实验
（二）
掌握应用MATLAB绘制波德图、根轨迹图判断系统稳定性仿真分析
2
选做
综合性
1
〃
7
SIMULINK仿真分析
掌握结构图系统仿真方法
2
必做
设计型
1
〃
大纲执笔人：
王福平
大纲审定人：
2006年3月6日
实验一MATLAB语言基础实验
（验证型实验）
一、实验目的
1.熟悉MATLAB运行环境和MATLAB语言的主要特点。
2．掌握MATLAB语言的基本语法规则及基本操作命令的使用。
3．学会m文件的建立和使用方法。
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB6.5环境
三、实验原理
MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。
MATLAB有3种窗口，即：
命令窗口（TheCommandWindow）、m-文件编辑窗口（TheEditWindow）和图形窗口（TheFigureWindow），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。
1．命令窗口（TheCommandWindow）
当MATLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。
用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。
在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。
在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。
因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为m-文件。
2．m-文件编辑窗口（TheEditWindow）
我们可以用m-文件编辑窗口来产生新的m-文件，或者编辑已经存在的m-文件。
在MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的m-文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的m-文件，并且可以在这个窗口中编辑这个m-文件。
四、实验内容
1.打开MATLAB语言操作界面
打开[开始]-〉[程序]-〉matlab7.00，观察界面布局，了解commandwindow、workspace、commandhistory等板块的功能及用法
2．MATLAB帮助系统
在命令行输入intro、demo、help
例如：
help或helpformat
3.练习Dos相似命令和变量查询
在命令行输入：
cd、dir、type、path、who、whos、what、which
4.MATLAB的数据格式
Short、long、hex、shorte、longe、rational
使用format、formatshort、formatlong、formathex、formatshorte、formatlonge、formatrational分别格式化数据
例如：
formatshort，a=pi或b=exp
（1）
5．练习MATLAB基本语句
在命令行输入以下语句，观察运行结果
a=3
A=[123；456]
f1=‘Thisisastring’
f2=‘exp（-2*a）*sin（a/5）’
size（a）,size（f2）
6．练习m文件的建立和运行
在命令行输入edit，或者在matlab环境中打开[File]-〉[New]-〉M-file，或者点击快捷菜单[NewM-file]，打开m文件编辑窗口，输入以下语句：
xx=1:
10
xx=linspace（-1,1,10）
xx=logspace（-1,1,10）
打开[Debug]-〉[Run]运行，或者点击快捷菜单[Run]运行，并在主窗口观察运行结果，与在命令行输入相比较。
五、实验要求
利用所学知识，完成上述1至6项实验内容，并将实验结果写在实验报告上。
六、实验思考题
1.MATLAB软件有哪些功能特点？
MATLAB与C语言语法有和相同之处？
2.在MATLAB语言中“：
”和“；”的含义什么？
实验二MATLAB数值运算实验
（验证型实验）
一、实验目的
l.熟悉Matlab中各类数据，尤其是矩阵的定义、赋值和运用。
2.了解Matlab的矩阵分析函数以及求线性方程组的数值解;
3．熟悉多项式运算函数、数值插值。
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB7.0环境
三、实验原理
1.创建矩阵的方法
a.直接输入法规则：
矩阵元素必须用[]括住；矩阵元素必须用逗号或空格分隔；在[]内矩阵的行与行之间必须用分号分隔。
逗号和分号的作用：
逗号和分号可作为指令间的分隔符，matlab允许多条语句在同一行出现。
分号如果出现在指令后，屏幕上将不显示结果。
b.用matlab函数创建矩阵：
空阵[]—matlab允许输入空阵，当一项操作无结果时，返回空阵;rand——随机矩阵;eye——单位矩阵;zeros——全部元素都为0的矩阵;ones——全部元素都为1的矩阵
c.矩阵的修改:
可用键找到所要修改的矩阵，用键移动到要修改的矩阵元素上即可修改；指令修改：
可以用A（,）=来修改。
2.矩阵运算
a.矩阵加、减（＋,－）运算规则：
（1）相加、减的两矩阵必须有相同的行和列两矩阵对应元素相加减。
（2）允许参与运算的两矩阵之一是标量。
标量与矩阵的所有元素分别进行加减操作。
b.矩阵乘（，./，.\）运算规则：
A矩阵的列数必须等于B矩阵的行数
标量可与任何矩阵相乘。
c.矩阵乘方——a^n,a^p,p^a
a^p——a自乘p次幂,对于p的其它值,计算将涉及特征值和特征向量，如果p是矩阵，a是标量,a^p使用特征值和特征向量自乘到p次幂；如a,p都是矩阵，a^p则无意义。
d.多项式运算
matlab语言把多项式表达成一个行向量，该向量中的元素是按多项式降幂排列的。
f（x）=anxn+an-1xn-1+……+loa0
可用行向量p=[anan-1……a1+a0]表示;poly——产生特征多项式系数向量
e.代数方程组求解
matlab中有两种除运算左除和右除。
四、实验内容
1.输入下列向量（矩阵）
>>g=[1234]；h=[4321]；
2.分别执行以下数组点运算
>>s1=g+h,s2=g.*h,s3=g.^h,s4=g.^2,s5=2.^h
3.输入下列特殊矩阵
〉〉A=[]
〉〉A=eye（10）
〉〉A=ones（5,10）
>>A=rand（10,15）
>>A=randn（5,10）
>>A=zeros（5,10）
4．输入下列矩阵及矩阵函数
>>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
>>inv_B=inv（B）%矩阵B的逆矩阵
>>[V,D]=eig（B）%矩阵B的特征值矩阵V与特征向量构成的矩阵D
>>X=A/B%A/B=A*B-1，即XB=A，求X
>>Y=B\A%B\A=B-1*A，即BY=A，求Y
5．多项式运算
>>p=[120-56]%表示多项式
>>rr=roots（p）%求多项式p的根
>>pp=poly（rr）%由根的列向量求多项式系数
>>s=[00123]%表示多项式
>>c=conv（p,s）%多项式乘积
>>d=polyder（p）%多项式微分
>>x=-1:
0.1:
2;
>>y=polyval（p,x）%计算多项式的值
6.有理多项式：
>>n=conv（[10],[13]）%定义分子多项式
>>d=conv（[11],[113]）%定义分母多项式
>>[r,p,k]=residue（n,d）%进行部分分式展开
>>p1=[1-p
（1）],p2=[1-p2]%定义两个极点多项式p1（s）=s-p
（1）,p2（s）=s-p
（2）
>>den=conv（p1,p2）%求分母多项式den=p1（s）*p2（s）
>>num=conv（r1,p2）+conv（r2,p1）%求分子多项式
〉〉[num,den]=residue（r,p,k）%根据r，p，k的值求有理多项式
7．函数插值运算
（1）线形样条插值
〉〉x=0:
10
>>y=sin（x）
>>x0=[3.44.76.58.2]
>>y0=interp1（x,y,x0）%线形插值
>>x1=0:
0.1:
10
>>y1=sin（x1）
>>plot（x1,y1,'r:
',x,y,'b*',x0,y0,'g.'）%插值比较
（2）三次样条插值
〉〉x=0:
10
>>y=sin（x）
>>x0=[3.44.76.58.2]
>>y0=interp1（x,y,x0，‘spline’）%线形插值
>>x1=0:
0.1:
10
>>y1=sin（x1）
>>plot（x1,y1,'r:
',x,y,'b*',x0,y0,'g.'）%插值比较
五、实验要求
利用所学知识，完成上述1至7项实验内容，并将实验结果写在实验报告上。
六、实验思考题
1.矩阵建立与有哪几种方法？
2.矩阵的加、减、乘、除运算规则什么？
实验三MATLAB符号运算实验
（验证型实验）
一、实验目的
l.了解Matlab的符号数据类型及符号运算工具箱。
2.运用符号数据类型求导数、积分和级数。
3．掌握代数方程和常微分方程的符号求解。
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB7.0环境
三、实验原理
1.符号变量与符号表达式
f='sin（x）+5x'；f—符号变量名sin（x）+5x—符号表达式；''——符号标识；符号表达式一定要用''单引号括起来matlab才能识别；''的内容可以是符号表达式，也可以是符号方程。
例：
f1='ax^2+bx+c'——二次三项式
f2='ax^2+bx+c=0'——方程
f3='Dy+y^2=1'——微分方程
符号表达式或符号方程可以赋给符号变量，以后调用方便；也可以不赋给符号变量直接参与运算
2.符号矩阵的创建
a.数值矩阵A=[1,2;3,4]
A=[a,b;c,d]——不识别
b.用matlab函数sym创建矩阵（symbolic的缩写）
命令格式：
A=sym（'[]'）；符号矩阵内容同数值矩阵；需用sym指令定义；需用''标识。
3.符号矩阵运算
数值运算中，所有矩阵运算操作指令都比较直观、简单。
例如：
a=b+c;a=a*b；A=2*a^2+3*a-5等。
而符号运算就不同了，所有涉及符号运算的操作都有专用函数来进行，符号矩阵运算的函数：
symadd（a,d）——符号矩阵的加
symsub（a,b）——符号矩阵的减
symmul（a,b）——符号矩阵的乘
symdiv（a,b）——符号矩阵的除
sympow（a,b）——符号矩阵的幂运算
symsize——求符号矩阵维数
charploy——特征多项式
determ——符号矩阵行列式的值
eigensys——特征值和特征向量
inverse——逆矩阵
transpose——矩阵的转置
jordan——约当标准型
simple——符号矩阵简化
……
四、实验内容
1．符号表达式运算
>>f='2*x-5'%定义符号表达式f
>>g='x^2-x+7'%定义符号表达式g
>>y=symadd（f,g）%求f+g
>>y=symsub（g,f）%求g-f
>>y=symdiv（g,f）%求g/f
>>y=sympow（g,f）%求
〉〉x=3
>>z=eval（y）%求y的值
2．微分和积分
>>f=sym（'sin（w*t+pi/3）'）%定义函数
>>f1=diff（f,'t'）%对时间t的导数
>>f2='cos（2*x）+s^2'
>>int（f2,'s','m','n'）%对s求从m到n的定积分
>>f3=taylor（f,'t',4）%在t=0邻域展开泰勒级数的前4项
3．符号表达式画图
>>y='2*x^2-3*x+10'
>>ezplot（y）%自动选择自变量范围绘图
>>ezplot（y,[-10,10]）%确定自变量范围绘图
4．符号表达式简化
>>f=sym（'cos（x）/（sin（3*x））^2-5^x'）
>>pretty（f）%有理分式显示符号表达式
>>f=sym（'（x^2-1）*（x-2）'）%
>>f1=collect（f）%合并同类项
>>horner（f1）%化成嵌套形式多项式
>>factor（f）%将表达式分解成因式
>>expand（f）%展开表达式成降幂排列形式
>>y=sym（'sin（x）^2-2*x+cos（x）^2'）
>>simplify（y）%将表达式简化
5．可变精度算术运算
>>pi%已知
的值
>>digits%当前运算缺省位数
>>vpa（'pi'）%用缺省精度显示
>>vpa（'pi',15）%用20位精度显示
6．符号方程求解
（1）解代数方程
>>solve（'a*x^2+b*x+c'）
>>solve（'a*x^2+b*x+c','b'）
>>solve（'a*x^2=c+b'）
>>solve（'a*x^2=c+b','b'）
（2）解代数方程组
>>f1='x+y+z=2*b'
>>f2='2*x+y+2*z=2*b'
>>f3='2*x+2*y+z=5*b'
>>[xx,yy,zz]=solve（f1,f2,f3,'x,y,z'）
（3）解微分方程
>>dsolve（'Dy=1+y^2'）%求一阶微分方程的通解
>>dsolve（'Dy=1+y^2','y（0）=1'）%给定初始条件，求特解，缺省变量t
>>dsolve（'Dy=1+y^2','y（0）=1','x'）%对变量x求特解
>>dsolve（'D2y=cos（t）-y','Dy（0）=0','y（0）=1'）%解二阶微分方程
（4）解微分方程组
>>[x,y]=dsolve（'Dx=3*x+4*y','Dy=-4*x+3*y'）%求通解
>>[x,y]=dsolve（'Dx=3*x+4*y','Dy=-4*x+3*y','x（0）=0,y（0）=1'）
%给定初始条件，求特解
7．符号矩阵和运算
>>y=sym（'[cos（t）,sin（t）;-sin（t）,cos（t）]'）%定义符号矩阵y
>>yt=transpose（y）%求转置矩阵
>>yy=symmul（y,yt）%计算y*yt
>>simplify（yy）%简化yy
>>inv（y）%求逆矩阵
>>det（y）%计算符号矩阵行列式
>>poly（y）%求解矩阵的特征多项式
五、实验要求
利用所学知识，完成上述1至7项实验内容，并将实验结果写在实验报告上。
六、实验思考题
1.什么是符号变量和符号表达式？
2.符号矩阵和数值矩阵的创建有何异同？
实验四MATLAB图形绘制实验
（验证型实验）
一、实验目的
l.通过图形可以从一堆杂乱的数据中观察数据间的内在关系，感受由图形所传递的内在本质。
本实验主要练习并掌握二维曲线绘图的基本操作。
2．进一步熟悉M文件调试过程。
3.熟悉图形交互指令的使用。
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB7.0环境
三、实验原理
1.二维曲面绘图
plot——最基本的二维图形指令:
plot命令自动打开一个图形窗口Figure，用直线连接相邻两数据点来绘制图形；根据图形坐标大小自动缩扩坐标轴，将数据标尺及单位标注自动加到两个坐标轴上，可自定坐标轴，可把x,y轴用对数坐标表示
a.plot（x）——缺省自变量绘图格式，x为向量,以x元素值为纵坐标，以相应元素下标为横坐标绘图
b.plot（x,y）——基本格式，以y（x）的函数关系作出直角坐标图，如果y为n×m的矩阵，则以x为自变量，作出m条曲线
c.plot（x1,y1,x2,y2）——多条曲线绘图格式
2.三维曲面绘图
plot3——基本的三维图形指令,其调用格式：
plot3（x,y,z）——x,y,z是长度相同的向量
plot3（X,Y,Z）——X,Y,Z是维数相同的矩阵
plot3（x,y,z,s）——带开关量
plot3（x1,y1,z1,'s1',x2,y2,z2,'s2',…）
四、实验内容
1.连续函数的可视化——用图形表示连续调制波形y=sin（t）sin（9t）。
编写m文件并执行，代码如下：
t1=（0:
11）/11*pi;
y1=sin（t1）.*sin（9*t1）;
t2=（0:
100）/100*pi;
y2=sin（t2）.*sin（9*t2）;
subplot（2,2,1）,plot（t1,y1,'r.'）,axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图
（1）'）
subplot（2,2,2）,plot（t2,y2,'r.'）,axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图
（2）'）
subplot（2,2,3）,plot（t1,y1,t1,y1,'r.'）
axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图（3）'）
subplot（2,2,4）,plot（t2,y2）
axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图（4）'）
2.用图形表示连续调制波形y=sin（t）sin（9t）及其包络线。
编写m文件并执行，代码如下：
t=（0:
pi/100:
pi）';
y1=sin（t）*[1,-1];
y2=sin（t）.*sin（9*t）;
t3=pi*（0:
9）/9;
y3=sin（t3）.*sin（9*t3）;plot（t,y1,'r:
',t,y2,'b',t3,y3,'bo'）
axis（[0,pi,-1,1]）
3.采用模型
画一组椭圆。
编写m文件并执行，代码如下：
th=[0:
pi/50:
2*pi]';
a=[0.5:
.5:
4.5];
X=cos（th）*a;
Y=sin（th）*sqrt（25-a.^2）;
plot（X,Y）
axis（'equal'）
xlabel（'x'）,ylabel（'y'）
title（'AsetofEllipses'）
4.显示三维网格曲面
编写m文件并执行，代码如下：
x=-10:
0.5:
10
y=-8:
0.5:
8
[X,Y]=meshgrid（x,y）
Z=sin（sqrt（X.^2+Y
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