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
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
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.
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