MATLAB及工程应用实验指导书.docx
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MATLAB及工程应用实验指导书
《Matlab及工程应用》
实验指导书
机电工程学院机电教研室编
2011年5月6日
《Matlab及工程应用》实验教学大纲
一、实验课程简介
MATLAB实验是为配合《Matlab及工程应用》课程同步进行实验教学的需要而开设的，主要目的是加深学生掌握MATLAB的语法规则、基本数学问题计算与分析方法、以及控制系统设计与分析方法。
二、实验目的要求
通过上机实验使学生熟悉MATLAB运行环境和MATLAB语言的主要特点；掌握MATLAB语言的基本语法规则及基本操作命令的使用；掌握应用MATLAB实现二维和三维图形的绘制方法；熟练掌握用MATLAB的解决一些数值计算问题；熟练掌握运用MATLAB进行控制系统设计与分析。
三、考核方式
1．学生实验前须复习课堂内容，对实验内容进行认真准备，实验时必须签到
2．上机实验时每组学生（1人）使用相关设备一套，每次实验2课时
3．每次实验后提交实验报告
四、主要仪器设备及台（套）数
1．计算机1台/每人
2。
MATLAB软件/每机
五、实验计划
实验计划
序号
名称
内容
类型
学时
每组人数
1
基本数学运算
基本函数计算、多项式计算、基本曲线曲面绘制、微分、积分数值计算
操作
2
1
2
矩阵及线性方程计算
行列式计算、矩阵秩、特征向量、特征值、线性方程组、大型稀疏矩阵计算
操作
2
1
3
程序语言编程
条件分支、循环等语句编写、自定义函数编写
操作
2
1
4
MatlabGUI程序设计
5
Simulink与控制系统建模
操作
2
1
6
控制系统时域频域性能分析
操作
2
1
7
超前滞后及PID调节器设计
操作
2
1
8
大作业
操作
2
1
六、主要参考书目
[1]李海涛.MATLAB程序设计教程.北京.高等教育出版社，第一版
[2]张智星.MATLAB程序设计与应用.北京.清华大学出版社，第一版
实验
（一）基本数学运算
1、实验目的
掌握MATLAB基本语法规则、基本函数计算、多项式计算、简单函数编写、基本曲线曲面绘制、以及微分、积分方程数值计算
2、实验要求
（1）求
，并求
的方程根
（2）求函数
在范围
等间距点上的计算值，间距为0.05
（3）要求分别用1次曲线，2次曲线，3次曲线分别拟合题
（1）中描述的曲线，并绘制在同一图上，要求各拟合曲线颜色不同、点标志符号也不同，并求各多项式的根。
（4）绘制三维曲线
（5）分别使用surf、mesh、contour命令绘制曲面
。
3、实验报告
写出求解题
（1）、
（2）、（3）、（4）、（5）MATLAB命令，并给出计算结果图和计算结果（拟合多项式系数及根）。
\
实验
（二）矩阵、线性方程计算
1、实验目的
掌握MATLAB矩阵计算、矩阵数据输入、矩阵特征值计算、线性方程求解、大型稀疏方程组求解
2、实验要求
（1）已知
，求A*B，A+B，A-B，A/B，A\B值
（2）求题
（1）矩阵A的逆，特征向量、特征值。
（注意分别使用函数inv（）,[UD]=eig（））
（3）已知方程组
，其中A为题
（1）中矩阵，求该方程组
的解X。
（4）矩阵A为维数NxN的稀疏矩阵，它的各元素值为
，向量
，使用常规方法求N=200，500时方程组
的解。
使用大型稀疏方程组求解方法求N=方程组
的解。
3、实验报告
写出求解题
（1）、
（2）、（3）、（4）MATLB命令，并给出计算结果（数据量超过20时，用曲线表示）。
实验（三）脚本语言及函数编写
1、实验目的
掌握MATLAB脚本语言编写，if,for,while,break,continue等语句的使用、函数程序设计及程序调试方法。
2、实验要求
（1）已知
，编一程序求正弦函数级数值（取前10项），计算x=pi/4级数值与与理论值的误差。
（2）矩阵A为维数NxN的稀疏矩阵，它的各元素值为
，向量
，编写程序设置大型稀疏方程组的系数，并求N=方程组
的解。
（3）编写函数f（a,b,c）求一元二次方程的根，输入参数a,b,c为阶数为2的向量,表示复系数,如[12]表示1+2i，要求输出参数为1个2x2矩阵，2个列向量表示根。
.
（4）已知某控制系统对阶跃输入响应为
，绘制系统的响应图，并求系统的超调量，峰值时间，回复时间，上升时间，衰减比。
3、实验报告
写出题
（1）、
（2）、（3）、（4）的MATLAB求解程序及计算结果。
实验（四）GUI程序设计
1、实验目的
掌握MATLABGUI及回调程序设计。
2、实验要求
（1）
设计如图1所示界面
图1
要求可用点或钩选中函数，按PLOT按钮，在右边同时绘制选中曲线，没有选中的曲线则不需要绘制。
（2）设计如图2所示界面
图2
要求输入X，Y坐标点后，按APPEND按钮，在右上图绘制已输入点；按PLOFIT按钮后，用3次曲线拟合输入点，并在右上图绘制该曲线；按ROOT按钮后，在右下图绘3次多项式对应根（虚跟用Y坐标表示）。
3、实验报告
写出题
（1）、
（2）求解过程及相应程序。
实验（五）SimuLink与控制系统建模
1、实验目的
掌握利用Simulink进行复杂系统动态仿真计算、以及控制系统建模
2、实验要求
（1）求下列系统的动态响应，要求计算时间为15秒，等步长计算，并将计算结果绘制成曲线。
（2）将上述系统转化成子系统。
（3）已知直流电机控制系统模型为：
用状态方程建立系统求解模型，求系统的动态响应，要求计算时间为20秒，计算时间点为3000个。
3、实验报告
写出求解题
（1）、
（2）、（3）MATLB命令，并给出计算或分析结果，如果计算动态响应值，用曲线绘制计算结果。
实验（六）控制系统性能分析
1、实验目的
掌握控制系统模型建立函数tf（）,zpk（）,ss（）,及控制系统零点极点求解函数zero（）,pole（）函数使用，以及根轨迹绘图函数rlocus（）,Bode图函数bode（）,Nyquist图绘制函数nyquist（）的使用,控制系统设计工具ltiview,sisotool的使用。
2、实验要求
（1）建立下列图中的控制系统模型，求闭环系统的零点，极点。
（2）绘制上图中控制系统的开环传递函数根轨迹、伯德图。
（3）使用ltiview工具，在输入为阶跃函数时，从绘制图中读系统的稳态值、超调量、上升时间、回复时间。
.
（4）用SISOTOOL设计工具，在图中设计一个超前调节器，求输入为阶跃函数时，系统的回复时间及超调量，如果超调量小于20%，系统回复时间小于1秒，调节器参数是多少？
3、实验报告
写出题
（1）、
（2）、（3）、（4）的MATLAB求解程序（命令）及计算结果。
实验（七）图形方式下控制系统分析及调节器设计
1、实验目的
掌握simulink方式下控制系统分析、进一步掌握ltiview,sisotool的使用，以及超前调节器、PID调节器参数整定方法。
2、实验要求
（1）用simulink建立下列图中的控制系统模型，求闭环系统的零点，极点。
（2）绘制上图中控制系统的开环传递函数根轨迹、伯德图。
（3）输入为阶跃函数时，从绘制图中读系统的稳态值、超调量、上升时间、回复时间。
.
（4）在图中所示位置设计一个PID调节器，要求超调量小于20%，系统回复时间小于1秒；如果是设计超前调节器，调节器参数又是多少？
3、实验报告
写出题
（1）、
（2）、（3）、（4）的MATLAB求解程序（命令）及计算结果。
大作业
班级学号姓名
（1）
（2）将题
（1）中的计算结果表示成小数形式，然后去掉所有的0和小数点，得到一整数，设该数从左到右排列（最高位在前）的最前面5个数字（数字1到9中的某一位）为
，建立传递函数
表示的开环控制系统，绘制阶跃输入系统动态响应图；用simulink建立图1所示的分析模型，绘制阶跃输入时闭环系统动态响应图，从图中读出输出稳态值、超调量、回复时间。
图1
（3）绘制图1所示系统对应bode图、根轨迹图、nyquist图，写出对应matlab命令。
（4）使用sisotool工具求出图2所示系统的极限频率和极限增益（极限增益是指PID调节器只有比例放大环节时，增益从0开始增大，极点开始出现在虚轴上对应的增益，以及此时极点所对应的频率）。
（5）在图2中所示位置设计一个PID调节器，给出该PID调节器对应参数，并求出添加调节器后输入为阶跃输入时，输出的稳态值、超调量、回复时间。
图2
（6）求线性方程组
的解，其中
与题2中的
相同，写出求解该题的matlab命令，及计算结果。
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