MATLAB与控制系统仿真实验.docx

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1、MATLAB 与控制系统仿真实验MATLAB 及控制系统仿真实验指导书1 / 241 / 24目录前言1MATLAB语言实验项目3实验一熟悉MATLAB 集成环境及基础运算3实验二MATLAB 的基本计算7实验三MATLAB 图形系统9实验四MATLAB 程序设计13实验五MATLAB 函数文件15实验六MATLAB 数据处理及多项式计算17实验七SIMULINK 仿真实验21MATLAB 与控制系统仿真实验前言MATLAB 产品家族是美国 MathWorks 公司开发的用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境。是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美

2、国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和SIMULINK 两大部分。MATLAB 由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在科学计算、建模仿真以及系统工程的设计开发 上已经成为行业内的首选设计工具，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境 中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种 全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式

3、程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 软件工具在自动化专业、测控技术及仪器和电气工程及其自动化等专业的本科生学习中，经常用来计算、仿真和设计，尤其是 MATLAB 软件的仿真功能， 能使学生对所学知识有更加深入的理解和分析。MATLAB 及控制系统仿真课程， 和自动控制原理、现代控制理论、数字信号处理、电力电子技术等重要 的专业课程相互支撑、相辅相成，同时也有利于学生完成课程设计和毕业设计等实 践教学环节。本实验指导书共设置了 12 个实验项目，分别从 MATLAB 工作环境熟悉、MATLAB 的基本计算、MATLAB 绘图功能、M

4、ATLAB 基本程序设计、SIMULINK 仿真实验、滤波器设计及仿真、控制系统仿真及电力电子系统仿真等实验项目，通过选取的上机实 验，可使学生更好的熟悉 MATLAB 软件的功能，掌握 MATLAB 程序设计的一般方法， 培养学生的应用开发能力。每个实验 2 个小时左右，不同的专业可根据需求自行选择。1 / 241 / 24实验注意事项1. 实验开始前，应先检查本组电脑设备是否工作正常，MATLAB 软件工作是否正常。2. 实验时每位同学应独立完成实验任务，避免抄袭。3. 实验后应及时将实验数据进行记录及存盘，避免因电脑故障或其它原因造成实验数据的丢失。4. 测量数据或观察现象要认真细致，实

5、事求是。5. 实验结束后，实验记录交指导教师查看并认为无误后，方可关掉电脑离开。6. 自觉遵守学校和实验室管理的其它有关规定。实验报告要求（包含预习报告要求和最终报告要求）每次实验后，应对实验进行总结，即实验数据进行整理，绘制波形和图表，分析实验现象，撰写实验报告。实验报告除写明实验名称、日期外，还包括：1. 实验名称2. 实验目的3. 实验设备及条件4. 实验内容及要求5. 实验程序设计程序代码6. 实验结果及结果分析实验结果要求必须客观,有数据的可以记录数据，没有数据的简单描述实验现象。结果分析是对实验结果的理论评判。7. 实验中出现的问题及解决方法8. 实验的收获及体会MATLAB 与控

6、制系统仿真实验MATLAB 语言实验项目实验一熟悉 MATLAB 集成环境及基础运算一、实验目的1. 熟悉启动和退出 MATLAB 软件的方法、熟悉 MATLAB 软件的运行环境。2. 熟悉 MATLAB 命令窗口的组成。3. 熟悉 MATLAB 的基本操作。4. 掌握建立矩阵的方法。5. 掌握 MATLAB 各种表达式的书写规则以及常用函数的使用。二、实验设备及条件计算机一台（带有 MATLAB6.5 或以上版本的软件环境）。三、实验原理1. MATLAB 的启动MATLAB 系统的启动有三种常见方法：1） 使用 Windows“开始”菜单。2） 运行 MATLAB 系统启动程序 matla

7、b.exe。3）利用快捷方式。2. MATLAB 系统的退出要退出 MATLAB 系统，也有三种常见方法：1） 在 MATLAB 主窗口 File 菜单中选择 Exit matlab 命令。2） 在 MATLAB 命令窗口输入 Exit 或 Quit 命令。23 / 2411 / 243） 单击 MATLAB 主窗口的“关闭”按钮。3. MATLAB 帮助窗口进入帮助窗口可以通过以下三种方法：1）单击 MATLAB 主窗口工具栏中的 help 按钮。2）在命令窗口中输入 helpwin、helpdesk 或 doc。3）选择 help 菜单中的“matlab help”选项。4. MATLAB

8、 帮助命令1） help 命令在MATLAB 命令窗口直接输入help 命令将会显示当前帮助系统中所包含的所有项目，即搜索路径中所有的目录名称。同样，可以通过 help 加函数名来显示该函数的帮助说明。2） lookfor 命令help 命令只搜索出那些关键字完全匹配的结果，lookfor 命令对搜索范围内的m文件进行关键字搜索，条件比较宽松。3） 模糊查询用户只要输入命令的前几个字母，然后按tab 键，系统就会列出所有以这几个字母开头的命令。5. 赋值语句1） 变量表达式2） 表达式6. 矩阵的建立1） 直接输入法：将矩阵的元素用方括号括起来，按矩阵行的顺序输入各元素，同一行的各元素之间用空

9、格或逗号分开，不同行的元素之间用分号分开。2） 利用 m 文件建立矩阵3） 利用冒号表达式建立一个向量 e1:e2:e34)利用 linspace 函数产生行向量 linspace(a,b,n).四、实验内容1. 练习下面指令：cd, clear, help, who, whos, dir, path, save, load 。2. 建立自己的工作目录 MYWORK 和 MYDATA，并将它们分别加到搜索路径的前面或者后面。3求12 + 2 *(7 - 4) 32的算术运算结果。4. 先求下列表达式的值，然后显示MATLAB 工作空间的使用情况并保存全部变量。（1）121+ 2i（2） z2

10、= 2 In(x + 1+ x2 ), 其中x = -0.455（3） z3（4） z4= e0.3a - e-0.3a sin(a + 0.3) + In 0.3 + a , a = -3.0,-2.9,-2.8,.,2.8,2.9,3.0 22t 2 ,0 t 1= t 2 - 11 t 2 , 其中t = 0 : 0.5 : 2.5t 2 - 2t + 1, 2 t 0 2在5=x 3（1） 最大值、最小值、各数之和；（2） 正数、零、负数的个数。8. 建立 56 矩阵，要求输出矩阵第n 行元素，当n 值超过矩阵的行数时，自动转为输出矩阵最后一行元素，并给出出错信息。9. 根据p 26=

11、 1 + 1 +12221 + . +321 ，求p 的近似值。当 n 分别取 100，1000，n 210000 时，结果是多少？实验五MATLAB 函数文件一、实验目的1. 理解函数文件的概念；2. 掌握定义和调用 MATLAB 函数的方法。二、实验仪器和设备计算机一台（带有 MATLAB6.5 或以上版本的软件环境）。三、实验原理1. 函数文件的定义：函数文件是另一种形式的 m 文件，每一个函数文件都定义一个函数，事实上， MATLAB 提供的标准函数大部分都是由函数文件定义的。2. 函数文件的基本结构函数文件由 function 语句引导，其基本结构为： Function 输出形参表函

12、数名（输入形参表） 注释说明部分函数体语句其中以 function 开头的一行为引导行，表示该 m 文件是一个函数文件。3. 函数调用函数文件编制好之欧，就可以调用函数进行计算了，函数调用的一般格式是：输出实参表函数名（输入实参表）四、预习要求1. 复习函数的定义及编写原则。2. 复习函数的调用。五、实验内容1. 一个自然数是素数，且它的数字位置经过任意对换后仍为素数，则称为绝对素数。例如 13 是绝对素数。试求所有的两位绝对素数。要求：定义一个判断素数的函数文件。2. 已知（1）当 f (n) = n + 10In(n 2 + 5) 时，求 y 值；（2）当 f (n) = 1* 2 + 2

13、 * 3 + 3 * 4 + . + n *(n + 1) 时，求 y 值。实验六 MATLAB 数据处理及多项式计算一、实验目的1. 掌握数据统计和分析的方法；2. 掌握数值插值及曲线拟合的方法；3. 掌握多项式计算的常用运算。二、实验仪器和设备计算机一台（带有 MATLAB6.5 或以上版本的软件环境）。三、实验原理1数据统计处理1） 最大值及最小值(a) 求向量的最大值及最小值 y=max(X) 及 y,I=max(X)(b) 求矩阵的最大值和最小值 max(A) 及 Y,U=max(A), max(A,dim) 2）求和及求积sum(X), prod(X) sum(A)3）标准方差及相

14、关系数a）Y=std(A,flag,dim)b)corrcoef(X) 2数据差值a) 一维数据差值 Y1=interp1(X,Y,X1,method)b) 二维数据差值 Z1=interp2(X,Y,Z,X1,Y1,method)3曲线拟合P,S=polyfit(X,Y,m) 4多项式计算1） 多项式的加减计算2） 多项式乘法运算 Y=conv(P1,P2)3) 多项式除法 Q,r=deconv(P1,P2)4) 多项式的导函数p=polyder(P): 求多项式 P 的导函数p=polyder(P,Q): 求 P.Q 的导函数p,q=polyder(P,Q):求 P/Q 的导函数，导函数的

15、分子存入 p，分母存入 q。5多项式求值1) 代数多项式求值 Y=polyval(P,x)2) 矩阵多项式求值 polyvalm 6多项式求根 x=roots(P)四、预习要求1. 复习 MATLAB 多项式数值分析函数。2. 复习 MATLAB 曲线拟合及多项式计算函数。五、实验内容及步骤1. 利用 MATLAB 提供的 rand 函数生成 30，000 个符合均匀分布的随机数，然后检验随机数的性质：（1） 均值和标准方差；（2） 最大元素及最小元素；大于 0.5 的随机数个数占总数额百分比。2. 将 100 个学生 5 门功课的成绩存入矩阵 P 中，进行如下处理：（1） 分别求每门课的最高

16、分、最低分及相应学生序号；（2） 分别求每门课的平均分和标准方差；（3）5 门课总分的最高分、最低分及相应学生序号；（4）将 5 门课总分按照从大到小的顺序存入 zcj 中，相应学生序号存入xsxh。提示：上机调试时，为避免输入学生成绩的麻烦，可用取值范围在45，95之间的随机矩阵来表示学生成绩。3. 已知 lgx 在1,101区间 10 个整数采样点的函数值如下表所示：X11128191101lgx01.04141.32221.49141.61281.70761.78531.85131.90851.95902.0043试求 lgx 的 5 次拟合多项式 p(x)，并绘制 lgx 和 p(x)

17、在1,101区间的函数。4有三个多项式 p1(x)=x4+2x3+4x2+5,p2(x)=x+2,p3(x)=x2+2x+3,试进行下列操作：（1）求 P(x)=P1(x)+P2(x)P3(x);（2） 求 P(x)的根；（3） 当 x 取矩阵 A 的每一元素时，求 P(x)的值，其中 - 11.2- 1.4A = 0.7523.5 052.5 （4） 当以矩阵 A 为自变量时，求 P(x)的值，其中A 的值及（3）题相同。实验七SIMULINK 仿真实验一、实验目的1. 熟悉 SIMULINK 的操作环境并掌握绘制系统模型的方法。2. 掌握 SIMULINK 中子系统模块的建立及封装技术。3

18、. 对简单系统所给出的数学模型能转化为系统仿真模型并进行仿真分析。二、实验设备及条件计算机一台（带有 MATLAB6.5 或以上版本的软件环境）。三、实验内容1. 建立下图 5-1 所示的 SIMULINK 仿真模型并进行仿真，改变 Gain 模块的增益，观察 Scope 显示波形的变化。图 5-1 正弦波产生及观测模型2. 利用 SIMULINK 仿真来实现摄氏温度到华氏温度的转化：（ T c范围在-10100），参考模型为图 5-2。图 5-2 摄氏温度到华氏温度的转化的参考模型3. 利用 SIMULINK 仿真下列曲线，取w = 2p 。x(wt) = sinwt + 1 sin 3wt + 1 sin 5wt + 1 sin 7wt + 1 sin 9wt 。3579仿真参考模型如下图 5-3，Sine Wave5 模块参数设置如下图 5-4，请仿真其结果。图 5-3 x(w t) 的仿真参考模型图图 5-4 Sine Wave5 模块参数设置图4. 如图 5-5 所示是分频器仿真框图，其组成仅有三台设备：脉冲发生器，分频器和示波器。分频器送出一个到达脉冲，第一路 cnt（计数），它的数值表示在本分频周期记录到多少个脉冲；第二路是 hit（到达），就是分频后的脉冲输出，仿真出结果来。图 5-5 分频器仿真框图