计算机仿真讲义080301.docx
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计算机仿真讲义080301
计算机仿真
教案
主讲教师：
欧阳鑫玉
电子与信息工程学院
二零一零年八月二十八日
课程介绍：
♠定位：
专业基础选修课（双语教学）
♠目标：
掌握计算机仿真语言MATLAB的使用及程序设计方法，并能将其与相关专业课程相结合，进行系统建模、仿真和科学研究等。
参考教材：
1.CONTROLSYSTEMSIMULATIONANDCAD（自编英文教材,下载地址：
2.系统仿真分析与设计——MATLAB语言工程应用，黄文梅等，国防科技大学出版社；
3.MATLAB6.1使用指南（上册），苏金明等，电子工业出版社。
讲义：
自编
特点：
可以不必具备其它语言的基础，语法简单，上手容易，但函数繁多。
课程安排：
学时:
32学时
安排：
授课20学时（10周），上机12学时（6周）。
要求：
不得缺勤；上课遵守纪律；实验报告必须齐备；按时交作业。
答疑:
双周周二下午1:
30-3:
30;或网上答疑.
考核方式:
平时成绩占10%，实验成绩占20%，期末成绩占70%。
期末考试为闭卷上机考试。
授课计划：
周
别
课堂教学
课外作业
星期
时数
教学内容
教学方式
布置作业
题数
复习及作业所需时间
1
1
2
Chapter1IntroductiontoMATLAB
讲授、CAI
1
2
2
1
2
Chapter2BasicMatlabCommands
讲授、CAI
2
2
3
1
2
2.4ColonOperatorandSubmatrices
2.5Expressions
Chapter3ProgramminginMatlab
讲授、CAI
3
2
4
1
2
实验一、MATLAB环境的熟悉与基本运算
讲授、操作
1
5
1
2
3.3MatlabScripts（M-files）
3.4MatlabFunction
3.5DebuggingaMatlabM-file
3.6ProgrammingTips
讲授、CAI
2
2
6
1
2
实验二、MATLAB语言的程序设计
设计、操作
1
7
1
2
Chapter4BasicPlottingFunction
讲授、CAI
2
2
8
1
2
4.2BasicPlottingCommands
4.3LabelingGraphs
4.4PrintingGraphics
Chapter5AplicationofMatlabinControlSystemSimulation
讲授、CAI
2
2
9
1
2
实验三、MATLAB的图形绘制
设计、操作
1
10
1
2
5.4ModelConversion
5.5SystemInterconnections
讲授、CAI
3
2
11
1
2
5.6State-SpaceRealizations
5.7TimeandFrequencyResponse
5.8RootLocusDesign
Chapter6Simulink———InteractiveandIntegrationEnvironment
讲授、CAI
2
2
12
1
2
实验四、控制系统的频域和时域分析
设计、操作
1
13
1
2
6.5CreatingandMaskedSubsystem
讲授、CAI
2
2
14
1
2
实验五、采用SIMULINK的系统仿真
设计、操作
1
15
1
2
Chapter7PIDControl
讲授、CAI
2
2
16
1
2
实验六、控制系统PID校正器设计法
设计、操作
1
目录
目录3
前言计算机仿真基本概念5
Chapter1IntroductiontoMATLAB7
1.1TheMATLABCharacteristics7
1.2TheMATLABEnvironment7
1.3Summary14
Exercise:
15
Chapter2BasicMatlabCommands16
2.1HowtorunMatlab16
2.2Matrices（矩阵）16
2.3Scalar,VectorandMatrixFunctions19
2.4ColonOperatorandSubmatrices20
2.5Expressions21
Exercise:
23
Chapter3ProgramminginMatlab24
3.1RelationalandLogicalOperators24
3.2FlowControl25
3.3.MatlabScripts（M-files）28
3.4.MatlabFunction28
3.5.DebuggingaMatlabM-file29
3.6ProgrammingTips（self-study）30
Exercise:
30
Chapter4BasicPlottingFunction32
4.1FigureWindowsandAxes32
4.2BasicPlottingCommands33
4.3LabelingGraphs40
4.4PrintingGraphics42
Exercise:
42
Chapter5AplicationofMatlabinControlSystemSimulation43
5.1LTIModelsIntroduction43
5.2CreatingLTIModels45
5.3LTIProperties50
5.4ModelConversion51
5.5SystemInterconnections51
5.6State-SpaceRealizations52
5.7TimeandFrequencyResponse53
5.8RootLocusDesign55
Exercise:
56
Chapter6Simulink--InteractiveandIntegrationEnvironment58
6.1Introduce58
6.2BuildingaSimpleModel58
6.3BasicOperationandGeneralKnowledge61
6.4IntroducetoLibraryandItsFunction61
6.5CreatingandMaskedSubsystem62
Exercise:
64
Chapter7PIDControl65
7.1Proportional-Integral-DerivativeControl65
7.2Automatictuning66
Exercise:
68
前言计算机仿真基本概念
控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。
这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。
它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。
计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。
基本概念
系统：
系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。
“系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。
工程系统有：
电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。
非工程系统：
宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。
模型：
模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。
通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。
模型分为物理模型和数学模型两种。
数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。
系统仿真：
就是以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。
要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。
对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。
仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。
用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。
而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。
我们这里讲的是后一种仿真。
数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。
通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。
计算机仿真三要素：
系统、模型与计算机。
它们之间的关系如下：
数学模型建立：
实际上是一个模型辩识的过程。
所建模型常常是忽略了一些次要因素的简化模型。
仿真模型建立：
即是设计一种算法，以使系统模型能被计算机接受并能在计算机上运行。
显然，由于在算法设计上存在着误差，所以仿真模型对于实际系统将是一个二次简化模型。
仿真实验：
即是对模型的运算。
需要设计一个合理的、服务于系统研究的仿真软件。
系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。
系统仿真的基本过程：
（1）建立系统的数学模型；
（2）转换成仿真模型；
（3）编写仿真程序；
（4）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，确认模型的正确性；
（5）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统进行反复分析和研究。
Chapter1IntroductiontoMATLAB
TheMainContents:
ØTheMATLABCharacteristics
ØTheMATLABEnvironment
ØSummary
1.1TheMATLABCharacteristics
1.1.1TheAdvantagesofMATLABforTechnicalProgramming
MATLABhasmanyadvantagescomparedtoconventionalcomputerlanguagesfortechnicalproblemsolving.Amongthemare:
（1）EaseofUse
（2）PlatformIndependence
（3）PredefinedFunctions（预定函数）
（4）Device-IndependentPlotting
（5）GraphicalUserInterface（图形用户界面）
（6）MATLABCompiler
1.1.1MATLAB编程技术的优势MATLAB具有许多优势相比传统的计算机语言技术解决问题。
其中包括:
（1）易用性
（2）平台独立性（3）预定义函数（预定函数）（4）与设备无关的策划（5）图形用户界面（图形用户界面）（6）MATLAB编译器
1.1.2DisadvantagesofMATLAB
MATLABisaninterpreted（解释）language,andthereforecanexecutemoreslowlythancompiled（编译）languages.Thisproblemcanbemitigated（解决）byproperlystructuringtheMATLABprogramandbytheuseoftheMATLABcompilertocompilethefinalMATLABprogrambeforedistribution（发行）andgeneraluse.MATLAB是一种解释（解释）语言,因此可以执行更慢比编译（编译）的语言。
可以减轻这一问题（解决）妥善安排MATLAB程序,通过使用MATLAB编译器编译最后的MATLAB程序之前分布（发行）和一般使用
1.2TheMATLABEnvironment
TheMATLABdevelopmentenvironmentisasetoftoolstohelpyouuseMATLABfunctionsandfiles.Manyofthesetoolsaregraphicaluserinterfaces（GUI）.ThefundamentalunitofdatainanyMATLABprogramisthearray（数组/阵列）.Anarrayisacollectionofdatavaluesorganizedintorows（行）andcolumns（列）,andknownbysinglename（唯一名字）.Individualdatavalueswithinanarraymaybeaccessed（访问）byincludingthenameofthearrayfollowedbysubscripts（写在下方的）inparentheses（圆括号）thatidentifytherowandcolumnoftheparticularvalue,forexample:
A（2,5）=3.Evenscalars（数）aretreatedasarraysbyMATLAB,theyaresimplyarrayswithonlyonerowandonecolumn.MATLAB开发环境是一组工具,以帮助您使用MATLAB函数和文件。
这些工具是图形用户界面（GUI）。
数据在任何MATLAB程序的基本单位是数组（数组/阵列）。
数组是一组数据值组织成行（行）和列（列） 辽宁科技大学《计算机仿真》教案 8以单一名称（唯一名字）。
数组中的单个数据值可能被访问（访问）,包括数组下标紧随其后的名称（写在下方的）括号内（圆括号）,识别特定值的行和列,例如:
（2、5）=3。
即使是标量（数）被当作数组通过MATLAB,他们只是数组只有一行和一列。
1.2.1TheMATLABDesktop
ThefirsttimeMATLABstarts,thedesktopappearsasshowninthefollowingillustration（插图）.MATLAB第一次启动时,桌面出现下图所示
•StartButtonandLaunchPad（启动平台）—RuntoolsandaccessdocumentationforallofyourMathWorksproducts.
•CommandWindow（命令窗口）—RunMATLABfunctions.
•CommandHistoryWindow（命令历史窗口）—Viewalog（日志）ofthefunctionsyouenteredintheCommandWindow,copythem,andexecutethem.
•HelpBrowser（帮助浏览器）—ViewandsearchthedocumentationforthefullfamilyofMATLABproducts.
•CurrentDirectoryBrowser（当前路径窗口）—ViewMATLABfilesandrelatedfiles,performfileoperationssuchasopen,andfindcontent.
•WorkspaceBrowser（工作空间浏览器）—Viewandmakechangestothecontentsoftheworkspace.
•ArrayEditor（阵列编辑器）—Viewarraycontentsinatableformat（表格格式）andeditthevalues.
•Editor/Debugger（编辑器/调试器）—Create,edit,anddebugM-files（filescontainingMATLABfunctions）.
•Profiler（编译器）—Assess（评估）theperformance（性能）ofyourM-filesusingthisgraphicalinterface.开始按钮和发射台（启动平台）为你所有的工具和访问文档MathWorks产品。
•命令窗口（命令窗口）MATLAB函数。
•命令历史记录窗口（命令历史窗口）视图日志（日志）在命令窗口输入的函数,拷贝,并执行。
•帮助浏览器（帮助浏览器）视图和搜索的文档 MATLAB的家庭产品。
当前目录浏览器（当前路径窗口）视图MATLAB文件和相关文件、执行文件操作,如打开,找到内容。
•工作空间浏览器（工作空间浏览器）的观点和对工作空间的内容进行更改。
•数组编辑器（阵列编辑器）查看数组的内容以表格格式
1.2.2TheCommandWindow
TherighthandsideoftheMATLABdesktopcontainstheCommandWindow.Userscanenterinteractive（交互式）commandsatthecommandprompt（>>提示）intheCommandWindow,andtheywillbeexecutedonthespot（当场）.1.2.2命令窗口右边的MATLAB桌面包含命令窗口。
用户可以输入互动（交互式）命令在命令提示符
（1）TheFormatCommand命令的格式
Theformat（格式）commandcontrolsthenumeric（数字）formatofthevalues（价值观）displayed（显示的）byMATLAB.Thecommandaffectsonlyhownumbersaredisplayed,nothowMATLABcomputesorsavesthem.
formatshort/shorte:
5为有效数字
formatlong/longe:
15为有效数字
formatbank:
钱币表示格式格式（格式）命令控制数字（数字）格式的值（价值观）显示（显示的）由MATLAB。
只影响该命令显示数字,而不是如何MATLAB计算或者保存它们。
格式短/短e:
5为有效数字格式长/e:
15为有效数字格式银行:
钱币表示格式
Forexample:
format_demo
（2）Suppressing（禁止）Output！
！
！
不可加分号，否则不执行！
！
！
Ifyousimplytypeastatement（语句）andpressReturnorEnter,MATLABautomaticallydisplaystheresultsonscreen.However,ifyouendthelinewithasemicolon（;）,MATLABperformsthecomputationbutdoesnotdisplayanyoutput.如果你只需输入一个语句（语句）,按Return键或输入MATLAB自动在屏幕上显示结果。
然而,如果你结束与分号（;）,MATLAB进行计算,但不显示任何输出。
Forexample,
>>a=magic（4）;
>>b=magic（3）
ans=
8.001.006.00
3.005.007.00
4.009.002.00
！
！
！
不可加分号，否则不执行！
！
！
（3）LongCommandLines------用threeperiods（省略号...）长命令行
Ifastatementdoesnotfitononeline,usethreeperiods（省略号...）,followedbyReturnorEntertoindicatethatthestatementcontinuesonthenextline.Forexample,如果不适合在一行上的一份声明中,使用三个时期（省略号……）,随后返回或输入表明声明继续下一行。
例如
>>s=1-1/2+1/3-1/4+1/5-1/6+1/7-...
1/8+1/9-1/10+1/11-1/12;
（4）CommandLineEditing命令行编辑
Variousarrow（箭头）andcontrolkeys（控制键）onyourkeyboardallowyoutorecall,edit,andreusecommandsyouhavetypedearlier.
Thelistofavailablecommandlineeditingkeysisdifferentondifferentcomputers.Experimenttoseewhichofthefollowingkeysisavailableonyourmachine.各种箭头（箭头）和控制键（控制键）在你的键盘让你记得,编辑、输入和重用命令。
可用命令行编辑键的列表是不同的在不同的电脑。
实验看到下列哪个键可在您的机器上。
Demo:
semicolon_demo
1.2.3TheCommandHistoryWindow命令历史窗口
（1）ViewingStatementsintheCommandHistoryWindow;
（2）DeletingEntries（条目）intheCommandHistoryWindow.
（1）命令历史记录窗口中查看语句
（2）删除条目（条目）的命令历史记录窗口。
Demo:
Historywindow_demo
1.2.4TheEdit/DebugWindow编辑/调试窗口
AnEdit/DebugWindowisusedtocreateM-files（M文件）,ortomodifyexistingones.AnEdit/DebugWindowiscreated
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