自控原理实验上机指导书.docx
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自控原理实验上机指导书
自控原理实验上机指导书
自动控制原理基础实验
上
机
实
验
指
导
书
自动化工程学院自动控制系
实验一MATLAB基本操作实验
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、基本运算和程序控制语句；
3．熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制；
4．熟悉Matlab程序设计的基本方法。
实验装置：
计算机
实验原理及内容：
1.1基本规则
1.1.1一般MATLAB命令格式为
[输出参数1，输出参数2，……]=（命令名）（输入参数1，输入参数2，……）
输出参数用方括号，输入参数用圆括号如果输出参数只有一个可不使用
括号。
1.1.2%后面的任意内容都将被忽略，而不作为命令执行。
1.1.3可用↑、↓键来重现已输入的数据或命令。
用←、→键来移动光标进行修改。
1.1.4所有MATLAB命令都用小写字母。
大写字母和小写字母分别表示不同的
变量。
1.1.5常用数有特定的名字，如pi（=3.141596）、Inf（=∞）、NaN则表示不定
型求得的结果（如0/0）。
1.1.6矩阵的输入要一行一行的进行，每行各元素用空格或（，）分开，每行用
（；）分开。
如
123
A=456
789
A=[123；456；789]在MATLABZ中运行如下程序可得到A矩阵
a=[123;456;789]
a=
123
456
789
1.1.7需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”号。
运行下面两种格式可以看出他们的区别
a=[123;456;789]a=[123;456;789];
a=（不显示计算结果）
123
456
789
1.1.8当输入语句过长需要换行时，应加上“…”后再回车，则可连续输入。
1.2文件管理常用命令
1.2.1帮助（HELP）命令
MATLAB有很多命令，因此很不容易记忆。
使用HELP命令可以得到有关命令的屏幕帮助信息。
如在MATLAB环境下直接运行HELP命令就会在屏幕上给出MATLAB的基本命令以及相关的工具箱软件命令（请同学自行验证）。
而下面的格式可以得到指定命令的帮助信息，和详细说明。
help命令名
如:
helpstep
STEPStepresponseofLTIsystems.
STEP（SYS）plotsthestepresponseofeachinputchannelof
theLTIsystemSYS.Thetimerangeandnumberofpointsare
chosenautomatically.
STEP（SYS,TFINAL）simulatesthestepresponsefromt=0tothefinaltimet=TFINAL.Fordiscrete-timesystemswithunspecifiedsamplingtime,TFINALisinterpretedasthenumberofsamples.
STEP（SYS,T）usestheuser-suppliedtimevectorTforsimulation.Fordiscrete-timesystems,TshouldbeoftheformTi:
Ts:
Tf
whereTsisthesampletimeofthesystem.Forcontinuoussystems,TshouldbeoftheformTi:
dt:
Tfwheredtwillbecomethesampletimeofadiscreteapproximationtothecontinuoussystem.
STEP（SYS1,SYS2,...,T）plotsthestepresponseofmultipleLTI
systemsSYS1,SYS2,...onasingleplot.ThetimevectorTis
optional.Youcanalsospecifyacolor,linestyle,andmarker
foreachsystem,asinstep（sys1,'r',sys2,'y--',sys3,'gx'）.
Wheninvokedwithleft-handarguments,
[Y,T]=STEP（SYS,...）
returnstheoutputresponseYandthetimevectorTusedfor
simulation.Noplotisdrawnonthescreen.IfSYShas
NUinputsandNYoutputs,andLT=length（T）,thearrayYis
LT-by-NY-by-NUandY（:
:
j）givesthestepresponseofthe
j-thinputchannel.
Forstate-spacesystems,
[Y,T,X]=STEP（SYS,...）
alsoreturnsthestatetrajectoryXwhichisanLT-by-NX-by-NU
arrayifSYShasNXstates.
SeealsoINITIAL,IMPULSE,LSIM.
Overloadedmethods
helplti/step.m
1.2.2diary命令
使用该命令可以在窗口中以ASCII码形式记录所有的输入和输出。
但这个命令不是存储数据，而是存储输入与屏幕上输出的内容。
它可以记录下工作的过程。
在每个工作过程之前使用该命令，工作结束后使用diaryoff则能将整个工作过程记录下来。
格式diary（文件名）（扩展名）
.
.
diaryoff
一般来说扩展名可取，m这样就可在MATLAB＼BIN＼目录下存入该文件。
1.2.3save命令
该命令存储定义的变量或演算结果，也可以用来存储指定的变量。
命令格式为
save文件名.扩展名
1.2.4what命令
该命令可以在当目录下显示MATLAB文件和MAT数据文件
1.2.5dir命令
显示当前目录下的所有文件.
1.2.6clear命令
如果输入calearabc，则表示清除工作空间中指定变量a,b,c；如果仅仅输入calear命令，则清除整个工作空间。
1.3矩阵运算
MATLAB具有强大的矩阵运算功能,但由于我们实验所涉及的不多,因此这里我们只作简单介绍.
1.3.1在MATLAB中表示一个矢量要用方括号，而列矢量的输入只需在行矢量
输入格式基础上加转置符（?
）即可。
如x=[123;456]
x=
123
456
而
x=[123;456]'（加转置符）
x=
14
25
36
注意上面两式的区别。
1.3.2下面三条命令可以产生一个行矢量
1a=linspace（x,y,n）
2a=logspace（x,y,n）
3a=[x:
n:
y]
第一条命令可以在线性空间产生一个值在10x至10y之间间隔点数为n
的行矢量（一组数据）。
第二条命令可以在对数空间产生一个值在x至y之间等间隔的行矢量
（一组数据）。
其行矢量的起始值是x,终值为y,点数为n。
第三条命令产生X至y步长为n的行矢量。
但是,三个命令之间存在差别，下面的例子可以说明这一点。
例一x=logspace（0,5,6）
x=
110100100010000100000
例二x=linspace（0,10,11）
x=
012345678910
例三x=[0:
1:
10]
x=
012345678910
通过上面三个例子可以看出例一,例二中n代表选取的点数。
而在例三中n则表示步长.请同学注意它们的区别。
1.3.3矩阵的加,减,乘,除等,和其它语言书写一样。
但要注意的是在运算符前面加有（.）则表示是元素对元素的操作.
例四请同学们注意下面的不同情况.
a=[12;34];
b=[22;22];
c=a*b
c=
66
1414
c=a.*b
c=
24
68
c=a/b
c=
1.0e+015*
-2.25182.2518
-2.25182.2518
c=a./b
c=
0.50001.0000
1.50002.0000
1.4常用运算命令
例五求a=S^3+2S^2+3S+4根.
a=[1234];
roots（a）
ans=
-1.6506-0.1747+1.5469i-0.1747-1.5469i
或
roots（[1234]）
ans=
-1.6506-0.1747+1.5469i-0.1747-1.5469i
例六已知某多项式的根如下
-1.6506-0.1747+1.5469i-0.1747-1.5469i
求该多项式.
poly（[-1.6506,-0.1747+1.5469i,-0.1747-1.5469i]）
ans=
1.00002.00003.00014.0001
即所求多项式为S^3+2S^2+3S+4.
1.5绘图命令
1.5.1Plot
该命令在线性坐标系下绘制y对应于x的轨迹。
若其中之一为矩阵则该命令将对应于矩阵的行或者列绘制一簇曲线。
该命令也可以在同一坐标轴下绘制多条曲线。
例七运行程序
t=[0:
1:
10];
x1=t;
plot（x1）
可在图形窗口得到下面图形。
1234567891011
例八
x=[0:
0.5:
7];
y=sin（x）;
y1=2*x;
y2=3*x;
plot（y,x,y1,x,y2,x）
7
6
5
4
3
2
1
0-50510152025
从上面的例子可以看出,如果要在同一坐标轴下绘制多条曲线,可用如下格
式：
plot（x1,y1,x2,y2……..xn,yn）%对应于不同矢量时
其中x1,y1……….xn,yn是对应的关系。
1.5.2loglog
在两个对数（标准对数）坐标间绘制图形。
1.5.3semilogx或semilogy
在x轴或y轴为对数坐标,而另一轴为线性轴的空间绘制图形。
1.5.4Polar
在极坐标空间绘制图形。
1.5.5Grid
在图形中加栅格，其格式为
命令句,grid
1.5.6Subplot（r,c,p）
该命令将屏幕分成r*c个窗口,p表示在第几个窗口.同时绘制多个图形窗口时,绘图语句间应用逗号分开。
例九下面的程序产生四个窗口,且分别绘制相应图形.
t=[0:
0.01:
2*pi];
y=sin（t）;
x=cos（t）;
subplot（221）,plot（t,y）,grid,subplot（222）,plot（t,x）,
grid,subplot（223）,polar（t,y）,subplot（224）,polar（t,x）
从上面的程序可以看出,subplot语句中的r,c,p可以不用逗号分开。
在语句后面应有相应的绘图命令.
上面程序执行后得到如下图形：
02468
02468
1.5.7Gtext
该命令用于鼠标定位的文字注释.执行完绘图命令后再执行gtext（?
说明文字?
）命令,就可在屏幕上得到一个光标,然后,用鼠标选择说明文字的位置。
例十t=[0:
1:
10];x1=2*t;x2=0.5*t;plot（x1,t,x2,t）;gtext（'x=2t'）;gtext（'x=0.5t'）
109876543
2100
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1.5.8如果需要同时在不同窗口绘制图形,可用figure语句来完成。
例十一t=[0:
1:
10];
x1=2*t;
x2=3*t;
figure,plot（x1）,figure,plot（x2）
上面程序执行后,可得到面两个图形窗口。
1.5.8有关绘图方面的还有
?
Title给当前图像加标题。
?
xlabel或ylabel给x或y轴加标注。
?
text在当前图像上指定位置加注释。
等。
1.5.9在同一座标系中绘制多个曲线时,曲线的颜色可以自动确定，也可以自己
选择。
在颜色选项中r=红色,g=绿色,b=蓝色.也可以选择线形.如?
#?
?
*?
等.其使用格式如下:
plot（x,y,?
r?
）或plot（x,y,?
$?
）
1.6关系及逻辑运算
1.6.1关系运算允许常量（或矩阵中的元素与元素）之间的比较.如果比较结
果为真,则答案为1,否则为0.常用的关系运算符如下:
<小于,>大于,==等于
<=小于等于,>=大于等于,~=不等于
对于复数”==”和”~=”既比较实部也比较虚部,而其它运算仅比较实部。
例十二比较a=[5:
1:
15]与b=[12887101211131415]中的对应元素是否相同,则运行下面程序
a=[5:
1:
15];
b=[12887101211131415];
y=a==b
y=
00010100111
1.6.2MATLAB有三个逻辑运算符.
&逻辑与|逻辑或~逻辑非
在矩阵运算中,以上命令是将两个矩阵中的对应元素进行运算,得到的结果是具有同样元素的矩阵。
例十三分别对下面两个矩阵进行逻辑运算.
X=[01;10];Y=[00;10];
X&Y
ans=
00
10
X|Y
ans=
01
10
~X
ans=
10
01
MATLAB在进行混合运算时,其顺序为:
算术运算→关系比较→逻辑运算
例十四计算x&y+x>y时,程序首先执行x+y运算,然后将相加结果与
y比较,最后将比较结果和x作与运算，运行结果如下。
x=[01;10];
y=[00;10];
x&y+x>y
ans=
01
10
1.7环与条件结构
MATLAB中有三个命令用于循环,条件循环,与条件叙述.它们是for,while,ifelse。
循环可以嵌套,陈述句可以跨行,但所有命令必须用end作为结束命令。
1.7.1for它执行一系列重复的陈述命令.其格式如下
for循环变量=起始值:
步长:
终止值（步长缺省值为1）
循环体
end
例十五注意下面两条程序的不同点。
1.forx=1:
1:
5;
y=5*x
end
y=
5
y=
10
y=
15
y=
20
y=
25
2.x=[1:
1:
5];
y=5*x
y=
510152025
通过上面的例子可以看出，第一个程序是将每次循环的x值乘以5；而第二个程序则是将5与x矢量中的每个元素相乘。
1.7.2while条件循环命令。
命令格式如下
while表达式
循环体
end
若表达式为真，则执行循环体的内容，执行后再判断是否满足表达式，若不满足,则跳出循环体。
例十六求出1到多少的自然数之和大于或等于100。
其程序如下
a=0;y=0;设置初始值
whilea<100;设置表达式
y=y+1;取自然数
a=a+y;自然数累加
end循环结束
y=y显示y值
a=a显示a值
执行上面程序后,结果如下
y=
14
a=
105
1.7.3if,else,elseif条件转移语句。
其格式如下
if表达式
执行语句
end
其执行方式为∶若表达式为真则执行语句中的内容，然后向下执行。
若表达式为假，则跳过执行语句向下执行。
另有两种格式如下∶
if表达式
执行语句1
else
执行语句2
end
和∶
if表达式1
执行语句1
elseif表达式2
执行语句2
……
end
在if-else格式中执行的方式为∶若表达式为真，则执行语句1，然后跳过语句2向下执行。
若表达式为假，则行语句2，然后向下执行。
在if-elseif格式中执行的方式为∶若表达式1为真，则执行语句1，若表达式1为假，则判断表达式2是否为真，如果为真，则执行语句2，否则向下执行。
实验方法及步骤：
1、运行Matlab软件；
2、在其命令窗口中输入响应的命令或程序；
3、观察并记录。
实验报告要求及习题：
实验习题一
分别用>,和~=求得a=[5:
1:
15]与b=[12887101211131415]的比较,并对结果进行分折。
实验习题二
（1）绘制余弦曲线y=cos（t），t∈[0，2π]
（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]实验习题三
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。
实验习题四
x=[01;10];
y=[00;10];
计算x&y+x>y时,程序首先执行x+y运算,然后将相加结果与y比较,最后将比较结果和x作与运算。
实验二MATLAB系统模型建立和动态特性分析实验
实验目的∶
1．掌握如何使用MALAB进行系统模型的建立；
2．学习利用MALAB命令得阶跃响应曲线，分析系统动态特性；
3．利用MALAB求阶跃响应的性能指标。
实验仪器∶
计算机
实验原理及内容∶
2.1控制系统的模型
控制系统的表示可用三种模型：
传递函数、零极点增益、状态空间。
每一种模型又有连续与离散之分。
为分析系统方便有时需要在三种模型间转换。
MATLAB提供了各种命令，使我们可以很方便的完成这些工作，下面以连续系统为例简要说明有关命令。
2.1.1模型与表示式
1、传递函数模型
bmsm?
bm?
1sm?
1?
...?
b1s?
b0G（s）?
nn?
1ans?
an?
1s?
...?
a1s?
a0
在MATLAB中直接用矢量组表示传递函数的分子、分母多项式系数，即：
num=[bmbm-1……b0]；表示传递函数的分子多项式系数
den=[anan-1……a0]；表示传递函数的分母多项式系数
sys=tf（num,den）tf命令将sys变量表示成传递函数模型。
2、零极点增益模型
（s?
z1）?
（s?
z2）...（s?
zm）G（s）?
k（s?
p1）?
（s?
p2）...（s?
pn）
在MATLAB中用z、p、k矢量组分别表示系统的零点、极点和增益，即：
z=[z1z2……zm]；
p=[p1p2……pn]；
k=[k]；
sys=zpk（z,p,k）zpk命令将sys变量表示成零极点增益模型。
3、状态空间模型
x=ax+bu
y=cx+du
在MATLAB中用（a、b、c、d）矩阵组表示，然后
sys=ss（a,b,c,d）ss命令将sys变量表示成状态空间模型。
2.1.2模型间的转换
在MATLAB中进行模型间转换的命令有：
ss2tf、ss2zp、tf2ss、tf2zp、zp2tf、zp2ss
它们之间的作用可由下面的示意图表示：
2.1.3模型间的关系与系统建模
实际工作中常常需要由多个简单系统构成复杂系统，MATLAB中有下面几种命令可以解决两个系统间的连接问题。
1、系统的并联
y
并联后的系统传递函数表示式为：
n?
d?
n2?
d1g（s）?
g1（s）?
g2（s）?
12d1?
d2
其中n1、d1和n2、d2分别为g1（s）、g2（s）的传递函数分子、分母系数行矢量。
命令格式：
[n，d]=parallel（n1，d1，n2，d2）
[a，b，c，d]=parallel（a1，b1，c1，d1，a2，b2，c2，d2）
例十七将下面两个系统并联连接
32s?
4g1（s）?
g2（s）?
2s?
4s?
2s?
3
执行下面程序：
n1=[3]；
d1=[14]；
n2=[24]；
d2=[123]；
[n，d]=parallel（n1，d1，n2，d2）
运行结果：
n=
051825
d=
161112
可得并联后系统的传递函数为
5s2?
18s?
25g（s）?
32s?
6s?
11s?
12
2、系统的串联
series命令实现两个系统的串联，示意图如下：
串联后系统的传递函数为
n?
ng（s）?
g1（s）?
g2（s）?
12d1?
d2
命令格式：
[n，d]=series（n1，d1，n2，d2）
[a，b，c，d]=series（a1，b1，c1，d1，a2，b2，c2，d2）
3、系统的反馈
feedback命令实现两个系统的反馈连接，示意图如下：
1
连接后系统的传递函数表示为：
g（s）n1?
d2g（s）?
1?
1?
g2（s）d1?
d2?
n1?
n2
命令格式：
升级会员 