级仿真实验.docx
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级仿真实验
《计算机控制技术及仿真》实验指导
攀枝花学院机电工程学院
二○○八年十月
实验1Matlab环境语法及数学运算
（验证性实验）
一、实验目的
1、掌握Matlab软件使用的基本方法；
2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算方法；
3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制。
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB6.X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、帮助命令
使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法；
打开matlab点击左下角start中的help命令，在search一栏输入sqrt再搜索，即可。
2、矩阵运算
（1）矩阵的乘法
已知A=[12;34];B=[55;78];
求A^2*B
c=
105115
229251
（2）矩阵除法
已知A=[123;456;789];
B=[100;020;003];
A＼B,A/B
c=
1.0e+016*
0.3152-1.26090.9457
-0.63042.5218-1.8913
0.3152-1.26090.9457
c=
1.0e+016*
0.3152-0.63040.3152
-1.26092.5218-1.2609
0.9457-1.89130.9457
（3）矩阵的转置及共轭转置
已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];
求A.',A'
B=
5.0000+1.0000i0+6.0000i
2.0000-1.0000i4.0000
1.00009.0000-1.0000i
B=
5.0000-1.0000i0-6.0000i
2.0000+1.0000i4.0000
1.00009.0000+1.0000i
（4）使用冒号选出指定元素
已知：
A=[123;456;789];
求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素；
B1=
3
6
B2=
456
789
（5）方括号[]
用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列
A=magic（4）
B=A（:
[1,2,3]）
A=
162313
511108
97612
414151
B=
1623
51110
976
41415
3、多项式
（1）求多项式p（x）=x3+2x+4的根
clc;clear;
Y=[1024];
S=roots（Y）
S=
0.5898+1.7445i
0.5898-1.7445i
-1.1795
（2）已知A=[1.2350.9;51.756;3901;1234]，
求矩阵A的特征多项式;
求特征多项式中未知数为20时的值；
把矩阵A作为未知数代入到多项式中；
4、基本绘图命令
（1）绘制余弦曲线y=cos（t），t∈[0，2π]
t=[0:
0.05:
2*pi];
y=cos（t）;
plot（t,y）
（2）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos（t-0.25）和正弦曲线y=sin（t-0.5），t∈[0，2π]
（2）
t=[0:
0.05:
2*pi];
y1=cos（t-0.25）;
y2=sin（t-0.5）;
plot（t,y1）
holdon
plot（t,y2）
5、基本绘图控制
绘制[0，4π]区间上的x1=10sint曲线，并要求：
（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；
（2）坐标轴控制：
显示范围、刻度线、比例、网络线
（3）标注控制：
坐标轴名称、标题、相应文本；
t=[0:
0.1:
4*pi];
x1=10*sin（t）;
plot（t,x1,'r-.+'）;
axis（[0,15,-10,10]）;
title（'x1=10sint'）;
xlabel（'T'）;
ylabel（'X1'）;
set（gca,'xminortick'）;
set（gca,'yminortick'）;
grid
五、实验要求
利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。
实验2MATLAB数值运算与绘图
（验证性实验）
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.MATLAB6.X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）=an×n+an-1×（n-1）+……+a0
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]；
输入g=[1,2,3,4;]
h=[4,3,2,1;]
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
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、除运算规则是什么？
实验3Matlab基本编程方法
（设计性实验）
一、实验目的
1、掌握Matlab软件使用的基本方法；
2、熟悉Matlab程序设计的基本方法
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB6.X环境
三、实验原理
根据MATLAB基本数值计算、数据分析和图形函数的功能，按程序设计数学要求完成对象计算的MATLAB程序。
四、实验内容
1、编写命令文件：
计算s=1+2+…+n（s<2000）时的最大n值；
2、编写函数文件：
分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到15次幂的和。
3、如果想对一个变量x自动赋值。
当从键盘输入y或Y时（表示是），x自动赋为1；
当从键盘输入n或N时（表示否），x自动赋为0；输入其他字符时终止程序。
五、实验要求
利用所学知识，完成上述3项实验内容，并将实验用程序和结果写在实验报告上。
六、实验思考题
1.用FOR和WHILE语句有何要求？
2.用户数据的输入有那几种函数？
实验4控制系统仿真
（一）
（综合性实验）
一、实验目的
1、掌握如何使用Matlab进行系统的时域分析
2、掌握如何使用Matlab进行系统的频域分析
3、掌握如何使用Matlab进行系统的根轨迹分析
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB6.X环境
三、实验原理
根据Matlab控制系统常用函数编写出仿真软件，也可以根据SIMULINK完成实验。
四、实验内容
1、时域分析
（1）根据下面传递函数模型：
绘制其单位阶跃响应曲线并从图上读取最大超调量，绘制系统的单位脉冲响应、零输入响应曲线。
（2）典型二阶系统传递函数为：
当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的单位阶跃响应。
（3）典型二阶系统传递函数为：
当ωn=6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的单位阶跃响应。
2、频域分析
（1）典型二阶系统传递函数为：
当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的伯德图
（2）典型二阶系统传递函数为：
当ωn=6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的伯德图。
3、根轨迹分析
根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定的K值范围。
五、实验要求
利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验用程序和结果写在实验报告上。
如果有图，则将图画在实验报告上。
六、实验思考题
1.二维图形函数有何要求？
2.如果要求实验中所用数据由用户从键盘输入，根据如何编写？
实验5控制系统仿真
（二）
（综合性实验）
一、实验目的
1、掌握如何使用Matlab进行系统的稳定性分析
2、掌握如何使用Matlab进行系统的能观测性、能控性分析
3、掌握如何使用Matlab进行离散系统分析
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB6.X环境
三、实验原理
根据Matlab控制系统常用函数编写出仿真软件，也可以根据SIMULINK完成实验。
四、实验内容
1、系统稳定性分析
（1）代数法稳定性判据：
（用求分母多项式的根和routh函数两种方法）
已知系统的开环传递函数为：
试对系统闭环判别其稳定性。
（2）根轨迹法判断系统稳定性：
已知一个单位负反馈系统开环传递函数为：
试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置，并判断在该点系统闭环的稳定性。
（3）Bode图法判断系统稳定性：
已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：
用Bode图法判断系统闭环的稳定性。
五、实验要求
利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验用程序和结果写在实验报告上。
如果有图，则将图画在实验报告上。
六、实验思考题
Bode图函数在编程中有何要求？
实验6、7控制计算系统辅助设计
一、实验目的
熟悉控制系统采用PID的超前和滞后校正方法。
二、实验仪器与软件
1.PC机1台
2.MATLAB6.X环境
三、实验内容
1、已知一单位反馈系统的开环传递函数为
试利用MATLAB设计一校正装置，使系统的相角裕量
，剪切频率
。
2、单位反馈系统的开环传递函数为
试利用MATLAB设计一串滞后校正装置，使系统的相角裕量
，并保持原有的开环增益。
3、设单位反馈系统的开环传递函数为
试利用MATLAB设计一校正装置，使系统满足以下性能指标，速度误差系数
，相角裕量
，剪切频率
大作业双闭环直流调速系统的MATLAB仿真
（设计性实验）
一、实验目的
1、了解Simulink下数学模型的仿真方法。
2、掌握数学模型的仿真建模方法和仿真参数设置要求
3、进一步掌握双闭环反馈控制系统的基本特性。
二、实验原理
双闭环控制系统的结构原理框图如下所示：
要求：
在实验前需下根据双闭环控制原理计算出各环的PI参数，写出正确的系统控制数学模型。
三、实验内容
1、直流电机双闭环控制系统SIMULINK仿真模块建立。
2、仿真参数的设置。
3、各控制点的波形分析。
4、改变给定,观察输出响应的变化。
5、用传递函数方程仿真。
四、实验步骤
1、按上述结构和参数建立仿真模型。
2、设定输入为单位阶跃信号，用scope观察系统输出响应。
3、将改变给定，其余参数不变，观察系统输出响应。
4、突加负载，观察系统的抗扰性能。
改变开环放大系数，观察系统的稳定性能。
5．用建立的传递函数方程仿真。
五、实验报告
按规定的实验报告要求写出实验报告，报告的内容有实验目的、建模名称，参数设置，实验电路，仿真模型结构图、仿真结果波形，结果分析。
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