计算机仿真上机实训指导书.docx
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计算机仿真上机实训指导书
实训1:
矩阵的建立和运算
1.1实训目的
1.1.1通过上机启动MATLAB软件,熟悉软件的界面和菜单;
1.1.2掌握变量名的命名规则;
1.1.3熟练矩阵的建立;
1.1.4掌握矩阵的关系运算和掌握常用的矩阵运算指令;
1.1.5熟悉文件的操作。
1.2实训示例
【例1-1】矩阵输入
Time=[111212345678910]
X_Data=[2.323.43;4.375.98]
【例1-2】矩阵运算
g=[1234];h=[4321];
s1=g+h,s2=g.*h,s3=g.^h,s4=g.^2,s5=2.^h
【例1-3】矩阵运算
A=[20–1;132];B=[17–1;423;201];
M=A*B%矩阵A与B按矩阵运算相乘
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
1.3实训练习
1.3.1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。
1.3.2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(:
2)A(3,:
)A(:
1:
2:
3)A(:
3).*B(:
2)A(:
3)*B(2,:
)A*BA.*BA^2A.^2B/AB./A。
1.3.3查找已创建变量的信息,删除无用的变量。
1.3.4利用函数产生3×4阶单位矩阵和全部元素都是4.5的4×4阶常数矩阵。
1.3.5利用画图软件画一副画,存盘后,读入MATLAB工具空间,将它改名字改格式另存。
实训2:
数据和函数的可视化
2.1实训目的
2.1.1掌握二维平面图形绘制函数的应用;
2.1.2掌握图形修饰及控制函数,能够使用这些函数对实验数据进行图表化处理,能够利用不同颜色、线条和模块绘制图形;
2.1.3熟悉三维图形绘制函数的应用,了解三维曲面绘制函数。
2.2实训示例
例2-1程序运行结果
【例2-1】把当前窗口分成四个区域,用不同颜色的线和线条绘制sin(x),cos(x),ex,log(x)的函数图形,并加入文字标示和网格。
参考程序:
x=[0:
0.01:
pi];
y1=x;
y2=x.*x;
y3=x.*sin(x);
y4=exp(x);
subplot(221);plot(x,y1,'b-');title('x');gridon
subplot(222);plot(x,y2,'m-.');title('x^2');gridon
subplot(223);plot(x,y3,'k:
');title('xsin(x)');gridon
subplot(224);plot(x,y4,'r--');title('e^x');gridon
【例2-2】绘制三维曲线,当x=sin(t),y=cos(t)时,空间高度的函数为z=sin(t)cos(t)t,请表示该图形,并绘制网格线,对各轴加说明。
例2-2程序运行结果
参考程序:
t=0:
pi/100:
2*pi;
x=sin(t);
y=cos(t);
z=sin(t).*cos(t).*t;
plot3(x,y,z);
gridon;
xlabel('x轴');
ylabel('y轴');
zlabel('z轴');
2.3实训练习
2.3.1把当前窗口分成四个区域,用不同颜色的线和线条绘制
,
,
的函数图形,并加入文字标示和网格。
2.3.2在极坐标中绘制函数
,
区间的曲线图。
2.3.3绘制该分段函数的图形
2.3.4使用MATLAB画一个圆心在原点、半径等于10的圆,并在圆周上依顺时钟方向取任意四点A、B、C、D。
2.3.5请用surf指令画出下列函数的曲面图:
其中x在
间共等切分为21点,y在
间共等切分为21点,所以,此曲面共有21×21=441个点。
2.3.6一个空间中的椭球可以表示成下列方程式:
请使用任何你可以想到的方法,画出三维空间中的一个平滑的椭球,其中a=3,b=4,c=8。
2.3.7画直径为30的球面,在同一个窗口,分别使用两种不同的光源和平滑处理,表示出光源点。
2.3.8某班计算机考试成绩,90分以上的同学有8人,80分至90分的同学有25人,70分至80分的同学有15人,60分至70分的同学有12人,60分以下的同学有9人,请用图形表示,并让不及格的人数突出显示。
实训3:
编程操作
3.1实训目的
3.1.1掌握M文件的建立,熟悉M文件的调试
3.1.2掌握if,switch,while,for几种程序流程语句
3.1.3熟悉函数文件的基本结构及函数调用
3.2实训示例
例:
求下面这个分数序列前20项之和
,
,
,
,
参考程序:
x=2;
y=1;
sum=0;
fori=1:
20
sum=sum+x/y;
t=x;
x=x+y;
y=t;
end
sum
3.3实训练习
3.3.1编写程序,计算1+3+5+7+…+(2n+1)的值(用input语句输入n值)。
3.3.2已知
,求S的值
3.3.3编写程序,计算如下的分段函数
计算出
,
,
的值。
3.3.4分别用for和while循环结构编写程序并计算
3.3.5将10个学生5门功课的成绩存入矩阵P中,进行如下处理:
分别求每门课的最高分,最低分及相应的学生序号;
分别求每门课的平均分和标准方差;
5门课总分的最高分,最低分及相应学生序号;
将5门课总分按从大到小顺序存入zcj中,相应学生序号存入xzcj中。
备注:
英语:
88789165729373918267
高数:
79688572678781797871
马思:
82618871828978907665
制图:
78688668788577887380
化学:
87827687857891778058
实训4:
系统建模
4.1实训目的
4.1.1掌握动态系统仿真的MATLAB建模及相关的模型运算指令;
4.1.2掌握MATLAB在机电系统建模中的应用。
4.2实训示例
例:
对下图4-1所示的质量-弹簧-阻尼机械系统,m=5kg,k=2N/m,c=0.1N/m.s-1,建立MATLAB状态空间模型。
图4-1
参考程序:
%对机械系统建立MATLAB状态空间模型
m=5;k=2;c=0.1;
A=[0,1;-k/m,-c/m];
B=[0,k/m]';
C=[1,0];
D=0;
sys=ss(A,B,C,D)
4.3实训练习
4.3.1试用MATLAB语言表示图4-2所示系统。
当分别以y=x2和f为系统输出、输入时的传递函数模型和状态空间模型。
图中,
,
,
,
,
。
4.3.2试用MATLAB语言分别表示图4-3所示系统质量m1、m2的位移x1、x2对输入f的传递函数X2(s)/F(s)和X1(s)/F(s),其中m1=12kg,m2=38kg,k=1000N/m,c=0.1N/m.s-1。
图4-2
图4-3
实训5:
系统时间响应及其仿真
5.1实训目的
5.1.1掌握数字仿真的基本方法
5.1.2掌握Matlab的用于仿真的主要函数及其应用
5.1.3掌握采样控制系统仿真方法
5.2实训示例
例:
系统阶跃响应
编写一个简单的M文件,计算二阶动态系统的阶跃响应,ζ值从0.1到1,且绘制出一簇阶跃响应曲线。
二阶动态系统的数学模型如下:
分别设固有频率为1、2。
参考程序:
%progsy21.m
w=1;
y=zeros(200,1);i=1;
num=w*w;
forzeta=0.1:
0.1:
1
den=[1,2*zeta*w,w*w];
t=[0:
0.1:
19.9];
y(:
i)=step(num,den,t);
i=i+1;
end
mesh(fliplr(y),[12030])
zlabel('Y')
ylabel('t')
xlabel('\zeta')
grid
5.3实训练习
5.3.1系统建模、模型转换及仿真
⑴用MATLAB语言表示图5-1所示系统的模型,并给出三种模型的具体表达;
⑵进行单位阶跃响应和周期为30s的方波响应。
图5-1
实训6:
系统频率响应及其仿真练习
6.1实训目的
掌握频域仿真的方法和主要的仿真指令。
6.2实训示例
例:
系统频率特性分析
已知单位负反馈系统的开环传递函数为
⑴绘制当
=5、30时系统的开环Bode图,计算幅值裕度、相位裕度,并分析对应闭环系统的稳定性;
⑵利用图形属性功能,在开环Bode图上,显示幅值裕度、相位裕度;
⑶绘制对应闭环系统的阶跃响应曲线,显示动态性能参数。
参考程序:
教材中,例7—3、4、5的程序。
6.3实训练习
系统分析图形用户界面使用练习
已知单位负反馈系统的开环传递函数为
利用系统分析图形用户界面LTIView,分析系统的脉冲响应、阶跃响应和频率特性。
实训7:
控制系统的综合与校正
7.1实训目的
掌握控制系统的综合与校正的方法。
7.2实训示例
设液压速度控制系统如图7-1所示,其特征参数为
rad/s,
,
。
所需的穿越频率为
rad/s,试确定RC无源网络的时间常数T或转折频率
,并求该速度控制系统的开环频率特性及阶跃响应曲线。
图7-1阀控液压马达速度控制系统方框图
解:
根据所需的穿越频率
rad/s及速度开环增益
,由式
可得
则图7-1所示的速度控制系统通过RC无源网络校正后的开环传递函数为
该速度控制系统的SIMULINK仿真模型如图7-2所示,取程序名:
lt600.mdl
图7-2速度控制系统的SIMULINK仿真模型
%开环伯德图程序
num=[20];
den=[conv([1,1],[1/200^2,0.2/200,1])];
sys=tf(num,den);
bode(sys)
图7-3速度控制系统的仿真结果
其开环频率特性及阶跃响应曲线如图7-3所示。
由图7-3可知,校正后的速度控制系统的幅值裕度
dB,相位裕度
,穿越频率
rad/s,系统稳定,但存在一定的稳态误差。
7.3实训练习
7.3.1试判断如下图7-4所示速度控制系统的稳定性,并选定适当的校正方法使本系统正常工作。
要求采用MATIAB语言编程绘制校正前后的系统Bode图,并进行动态响应的时域仿真。
(图7-5为该系统方块图)
图7-4系统原理图
图7-5系统方块图
实训8:
SIMULINK动态仿真
8.1实训目的
8.1.1熟悉主要模块库中的模块;
8.1.2熟悉Simulink仿真框图的绘制方法,初步掌握常用模块的参数设置方法。
8.2实训示例
例:
有初始状态为0的二阶微分方程
其中u(t)是单位阶跃函数,试建立系统模型并仿真。
参考建模:
用积分器直接构造求解微分方程的模型。
8.3实训练习
8.3.1系统的频率响应演示
按图8-1所示框图,构造Simulink仿真框图,改变输入正弦信号的频率进行频率响应演示。
改变系统的前向通道中的传递函数进行频率响应分析。
图8-1
⑴绘出自己绘制的仿真框图,并附上仿真的结果;
⑵分析频率响应的特点。
8.3.2曲柄滑块机构的运动学仿真(参考教材第199页)
图8-2所示为一标有连接件编号和位置角度的曲柄滑块机构示意图。
连杆的长度r2、r3已知,曲柄输入角速度或角加速度已知。
图8-2曲柄滑块机构简图
实训要求:
(1)构造Simulink仿真框图,并附上编写的程序和仿真的结果;
(2)如果将simulink模型中的示波器改为TOworkspace模块,其他参数不变,分别绘制滑块位移曲线、滑块速度运动曲线。
8.3.3直流电动机闭环调速系统框图仿真
已知晶闸管—直流电动机单闭环调速系统的动态结构图,如下图8-3所示。
其中,电枢电阻Ra=0.5Ω,系统主电路总电阻R=1Ω,额定磁通下的电机电动势转速比Ce=0.1925V.min/r,电枢回路的电磁时间常数Ta=0.017s,系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数Tm=0.075s,系统测速反馈系数Kt=0.01178V.s/min,整流触发装置的放大系数Ks=44,三相桥平均失控时间Ts=0.00167s,比例放大器的放大系数Kp=10。
图8-3直流电动机单闭环调速系统的仿真框图
⑴试绘制出该系统的单位阶跃响应曲线;
⑵将比例放大器改为比例积分调节器,它的两个系数T1=0.049s,T2=0.088s。
试绘制出该系统单位阶跃响应曲线;以及在扰动信号作用下的单位阶跃响应曲线和脉冲响应曲线;
⑶将输入改成阶跃信号发生器,扰动输入改成脉冲输入,输出用示波器显示,进行仿真。