控制系统设计与仿真实验指导书.docx

1、控制系统设计与仿真实验指导书控制系统设计与仿真实验1.说明MATLAB语言与控制系统仿真实验指导书包括四部分内容：MATLAB语言基础、MATLAB语言基础实验、控制理论仿真实验和实验作业。要求每位学生完成规定的实验内容后，独立做完实验作业，以巩固知识，增强应用能力。本课程上机实验学时为18学时，建议分配如下：实验内容学时数备注实验一 MATLAB语言平台3选做3选做3选做3必做3必做3选做3选做3选做3必做实验十一直流调速系统仿真与设计3设计性实验 选做实验十二倒立摆系统控制算法的状态空间法设计3综合性实验 选做上述学时仅为参考学时，学生可根据自己对MATLAB的熟悉程度作适当的调整。2.M

2、ATLAB语言简介MATLAB 是MathWorks 公司于1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。MATLAB 的推出得到了各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础，现已成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。控制界的很多知名学者度为其擅长的领域写出工具箱，而其中很多工具箱已经成为该领域的标准。和其它的程序设计语言不同，MATLAB 语言的基本变量单元是复数矩阵，其矩阵处理功能和图形处理功能是其最显著的特色，这里介绍一些简单实用的MATLAB 命令及操作。2.1

3、MATLAB 的应用基础1. 如何应用MATLAB通常以命令驱动方式应用MATLAB 。当输入单个命令时，MATLAB 会立即对其进行处理，并且显示处理结果。MATLAB 也能够执行存储在文件中的命令序列。通过键盘输入的命令，可以用上下箭头键存取。2. MATLAB 的变量MATLAB 的一个特点是变量在应用前不必确定维数。在MATLAB 中，变量一旦被采用，会自动产生（如果必要，变量的维数以后还可改变），并保留在存储器中。为了得到工作空间内的变量清单，可以通过键盘输入命令 who ，当前存放在工作空间内的所有变量便会显示在屏幕上。命令 clear 能从工作空间中清除所有非永久性变量。如果只需

4、要从工作空间中清除某个特定变量，比如“x”，则应输入命令 clear x。3. 以“%”开始的程序行在MATLAB 中以“%”开始的行表示注解和说明，这些注解和说明是不执行的。如果注解和说明需要一行以上程序行，则每一行均需以“%”为起始。4. 分号操作符分号用来取消打印（显示）。如果语句的最后一个符号是分号，则打印被取消，但是命令仍在执行，而结果不再显示。此外，在输入矩阵时，分号表示一行的结束。5. 冒号操作符冒号操作符在MATLAB 中起着重要作用。该操作符用来建立行向量，赋予矩阵下标和规定叠代。例如：j : k 表示 j j+1 k-1 k，A( : , j ) 表示矩阵A 的第 j 列。

5、6. 输入超过一行的长句如果输入的语句太长，超出了一行，则在语句的末尾输入3个小圆点（），以表明语句将延续到下一行。7. 在一行内输入数个语句如果语句之间用豆号或分号隔开，则可以把数个语句放在一行内。例如：plot ( 1 , 3 , o) , text ( 1 , 20 , system 1 ) , text ( 1 , 15 , system 2 )8. 选择输出格式MATLAB 中的所有计算都是以双精度方式完成的，但是显示输出可以是具有4个小数位的定点输出。例如，对于向量 x = 1/3 , 0.00002 MATLAB 有下列输出x = 0.3333 0.0000 如果在矩阵中至少有一

6、个元素不是严格的整数，则有多种可能的输出格式。显示的输出量可以用【File】菜单的【Preferences】命令设置，或用下列命令加以控制： format short （0.3333 0.0000 ） format long （ 0.33333333333333 0.00002000000000） format short e （3.3333e-001 2.0000e-005） format long e （3.333333333333333e-001 2.000000000000000e-005）9. 退出MATLAB 时如何保存变量当退出MATLAB 时，工作空间中的所有变量都将消失。如果

7、在退出之前输入命令 save ，则所有的变量都被保存在磁盘文件 matlab.mat 文件中。当再次进入MATLAB 时，命令 load 将使工作空间恢复到以前的状态。如果要保存/恢复部分变量，可用如下命令： save 文件名 变量名（变量名之间用空格分割）/load 文件名参见save命令的帮助文件。2.2 MATLAB 函数在当前的MATLAB 5.0 及以上版本中，MATLAB 函数的调用格式和其它编程语言是不同的，其典型的调用格式为返回变量列表=func_name（输入变量列表）其中等号左边的变量为返回变量，等号右边的变量为输入变量。MATLAB 允许在函数调用时返回多个变量。而一个函

8、数又可以由多种格式进行调用，例如 bode ( ) 函数可以由下面的格式调用mag,phase=bode(num,den,w)其中bode( ) 函数用来求取或绘制系统的Bode图，而系统在这里由传递函数分子num和分母den表示，还可以用下面的格式调用此函数mag,phase=bode(A,B,C,D,w)其中(A,B,C,D)为系统的状态方程模型。尽管两种调用格式是完全不同的，MATLAB 函数还是会自动识别到底是用哪种格式调用该函数的，从而得出正确的结论。在当前版本的控制系统工具箱中还允许用线性模型对象变量G来描述系统，例如mag,phase=bode(G,w)MATLAB 函数在返回变

9、量的格式上也可以不同，例如若上面的语句中若没有返回变量，则将自动地绘制系统的Bode图，否则返回计算结果数据。2.3 绘制响应曲线 MATLAB 具有丰富的获取图形输出的程序集。命令plot可以产生线性x-y图形（用命令loglog、semilogx、semilogy或polar取代plot，可以产生对数坐标图和极坐标图）。所有这些命令的应用方式都是相同的，它们只对坐标轴的分度和数据的显示产生影响。1. X-Y图如果X和Y是同一长度的向量，则命令 plot(X,Y)将画出Y值对于X值的关系图。2. 画多条曲线为了在一幅图上画出多条曲线，采用具有多个自变量的plot命令： plot(X1,Y1,

10、X2,Y2,Xn,Yn)变量X1,Y1,X2,Y2等等是一些向量对。每一个X-Y对都可以图解表示出来，因而在一幅图上形成多条曲线。多重变量的优点是它允许不同长度的向量在同一幅图上显示出来，每一对向量采用不同的线型。在一幅图上画一条以上的曲线时，也可以利用命令hold。hold命令可以保持当前的图形，并且防止删除和修改比例尺。因此，随后的一条曲线将会重叠地画在原曲线上。再次输入命令hold，会使当前的图形复原。3. 加进网格线、图形标题、X轴标记和Y轴标记一旦在屏幕上显示出图形，就可以画出网格线，定出图形标题，并且标定x轴标记和y轴标记。MATLAB 中关于网格线、标题、X轴标记和Y轴标记的命令

11、如下： grid(网格线) title(图形标题) xlabel(X轴标记) ylabel(Y轴标记)4. 在图形屏幕上书写文本为了在图形屏幕上的点(x,y)书写文本，采用命令： text(x,y,text)例如，利用语句 text(3,0.45,sin t)将从点(3, 0.45)开始，水平地写出 sin t。5. 图形类型下列语句： plot(x,y,x)将利用标记符号画出一个点状图。MATLAB 能够提供的线和点的类型如下：线的类型点的类型实线-圆点.短划线-加号+虚线:星号*点划线-.圆圈o号x6. 颜色下列语句： plot(X,Y,+g)表明用绿色“+”号划线。MATLAB 提供的颜

12、色如下：红色r绿色g蓝色b白色w无色i参见plot的帮助文件。7. 自动绘图算法在MATLAB 中，图形是自动定标的。在另一幅图形画出之前，这幅图形作为现行图将保持不变，但是在另一幅图形画出后，原图形将被删除，坐标轴自动地重新定标。8. 手工坐标定标如果需要在下列语句指定的范围内绘制曲线： V=x-min x-max y-min y-max则因输入命令 axis(V)，式中V是一个四元向量。 axis(V)把坐标轴定在规定的范围内。2.4 MATLAB 语言的联机帮助功能下面的实验中，我们将较为详细地学习使用MATLAB 的语言基础和控制系统仿真，但是MATLAB 的内容及其丰富，在学习和使用

13、中，可以利用MATLAB的联机帮助功能。MATLAB的联机帮助既可以由help命令来直接获得，又可以由MATLAB图形界面下的Help菜单来查询，还可以用lookfor命令查询有关的关键词： help plot lookfor plot3.MATLAB语言基础实验3.1实验一 MATLAB语言平台一、实验目的1. 学习了解MATLAB语言环境；2. 练习MATLAB命令的基本操作；3. 练习m文件的基本操作。二、实验内容1. 学习了解MATLAB语言环境（1）MATLAB语言操作界面开机双击相应图标即可进入MATLAB命令窗口，如图1.1所示。在命令提示符位置键入命令，完成下述练习。图1.1

14、MATLAB窗口（2）练习DOS相似命令MATLAB语言与DOS操作系统有如下相似的命令，在操作界面上练习这些命令。dir dir(c:windows)type type expm.mcd cd c:matlab6p5help（3）MATLAB的数据格式合法的数据格式有：short,long,hex,short e,long e,rational等。键入 a=pi;b=exp(1)由File/Preferences改变数据格式，观察变量值。（4）变量查询变量查询命令有 who,whos，查询变量。（5）路径函数与搜索路径path 路径函数which 文件定位路径函数path列出MATLAB自动

15、搜索路径清单，执行该命令。path(path,newpath)addpath(newpath)用于在搜索路径清单中增加新的路径项，练习该命令。或由File/Set Path设置路径。说明：在命令窗口键入一命令并按下回车键，MATLAB就在搜索路径中搜索相应的命令文件（内部命令和函数除外），找到后就执行该文件，若未找到，就给出错误提示“File xxxx not found.”。（6）联机帮助键入help help阅读help函数的使用说明。键入help列出help项。查询前面使用过的命令help whohelp path阅读上述函数的功能、使用格式等。（7）字符串查询键入help lookfo

16、r阅读MATLAB函数lookfor的功能与使用方法，并使用该命令查询相应的关键词字符串。（8）MATLAB语言演示键入demoMATLAB语言功能演示。2.练习MATLAB命令的基本操作（1）键入常数矩阵输入命令a=1 2 3a=1 ;2 ;3比较显示结果有何不同。b=1 2 5b=1 2 5；比较显示结果有何不同。（2）作循环命令程序 makesum=0; for i=1:1:100 makesum=makesum+i; end键入makesum,按回车键,观察计算结果。（3）分别执行下面命令： a=1 2 3;4 5 6;7 8 0 poly(a) rank(a) det(a) trac

17、e(a) inv(a) eig(a)观察显示结果。使用联机帮助help查阅相应函数的意义和函数的格式。3.2 实验二 MATLAB数值运算一、实验目的1.学习MATLAB的基本矩阵运算；2.学习MATLAB的点运算。二、实验内容在下面的实验操作中，认真执行每项操作，掌握其作用和目的。1.基本矩阵运算（1）创建数值矩阵键入a=1 2 3;4 5 6;7 8 9；观察a(3,2)a(:,1)键入t=0:10；u=0:0.1:10；观察向量t,u的值。键入a(:,3)=2;3;4；a观察矩阵a的变化。键入b=1 1+2i;3+4i 3；观察复数矩阵。（2）特殊矩阵键入a=ones(3,3)；b=ze

18、ros(2,2)；c=eye(4)；magic(4)；观察特殊矩阵。（3）矩阵运算键入a=0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6；b=1 2;3 4;5 6；c=1 1 0;0 1 1；作矩阵乘运算：v1=c*a；v2=a*b；v3=c*a*b；v4=b*c；v5=c*b；矩阵乘方运算：a2a(1/2)矩阵加减运算：a1=a+b*c；a2=c*b-a(1:2,1:2)；a3=a(1:2,2:3)+c*b；矩阵右除（常规除）：ar=a/b；矩阵左除：al=ab注意矩阵运算时的维数匹配。（4）矩阵特征完成如下矩阵特征运算：a inv(a) diag(a) tril(a) triu(a)poly

19、(a) rank(a) det(a) trace(a) eig(a)2.MATLAB的点运算（1）练习点乘与点除a1=1 2;3 4；a2=0.2*a1；观察a1 a2a1.*a2 a1./a2（点乘与点除是数组运算）（2）正弦、余弦函数t=0:2*pi/180:2*pi；y1=sin(t)；y2=cos(t)；y=y1.*y2；plot(t,y y1 y2（3）复变函数w=0.1:0.1:2；g1=(1+0.5*w*i)/(1-0.5*w*i)g2=(1+0.5*w*i)./(1-0.5*w*i)plot(g2);xlabel(real g2(w);ylabel(image g2(w)axi

20、s(square)3.多项式运算（1）建立多项式向量ap=1 3 3 1b=-1 -2 -3bp=poly(b)（2）多项式乘与根p=conv(ap,bp)root(p)（3）多项式运算a=1 2 3 4；b=1 -1；c=a+zeros(1,length(a)-length(b),bpoly2str(c,x)polyvalm(a,3)4.代数方程组（1）给定方程组 Ax=B xn1,Ann,Bn1方程组的解 x=A-1B or x=AB方程为 这时不能用第一种方法，A-1只能用于方阵，这时可用广义逆矩阵解： A=1 2 3;2 3 4;B=1;2; x=pinv(A)*B x= 0.8333

21、 0.3333 -0.16673.3 实验三 MATLAB 绘图一、实验目的1.学习MATLAB的各种二维绘图；2.学习MATLAB的三维绘图；3.学习MATLAB的绘图修饰（多种绘图，图形注释，绘图颜色，色图矩阵）。二、实验内容在下面的实验操作中，认真执行每项操作，掌握其作用和目的，每个命令的含义和用法查看帮助文件。1.基本二维绘图（1）向量绘图x=0:2*pi/100:2*pi;y1=sin(2*x);y2=cos(2*x);plot(x,y1)plot(x,y2)plot(x,y1,x,y2)保持作图：plot(x,y1);hold onplot(x,y2);hold off矩阵作图：p

22、lot(x,y1 y2)设定颜色与线型：plot(x,y1,c:,x,y2,ro)多窗口绘图：figure(1);plot(x,y1)figure(2);plot(x,y2)子图绘图：subplot(221);plot(x,y1)subplot(222);plot(x,y2)subplot(223);plot(x,y1,x,y1+y2)subplot(224);plot(x,y2,x,y1-y2)复变函数绘图：w=0.01:0.01:10;g=1./(1+2*w*i);subplot(121);plot(g)subplot(122);plot(real(g),imag(g)插值绘图：x=0:2

23、*pi/8:2*pi;y=sin(x);plot(x,y,o);hold on;xi=0:2*pi/100:2*pi;yi=spline(x,y,xi);plot(xi,yi,m)反白绘图与绘图背景色设定：whitebgwhitebg(b)whitebg(k)（2）函数绘图fplot(sin,0 4*pi)f=sin(x);fplot(f,0 4*pi)fplot(sin(1/x),0.01 0.1,1e-3)fplot(tan(x),sin(x),cos(x),-2*pi,2*pi,-2*pi,2*pi)（3）符号函数快捷绘图：f=exp(-0.5*x)*sin(x)ezplot(f,0,1

24、0)f=x2+y2-9ezplot(f)axis equal2.多种二维绘图（1）半对数绘图（频率特性绘图）w=logspace(-1,1); 横坐标对数分度g=20*log10(1./(1+2*w*I) 幅值纵坐标取分贝p=angle(1./(1+2*w*I)*180/pi 相角纵坐标取度subplot(211);semilogx(w,g);grid; 幅频特性子图，半对数绘图，加网线subplot(212);semilogx(w,p);grid; 相频特性子图，半对数绘图，加网线（2）极坐标绘图t=0:2*pi/180:2*pi;mo=cos(2*t);polar(t,mo);（3）直方图

25、绘图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);bar(t,y);（4）离散棒图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stem(t,y);（5）阶梯图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stairs(t,y);（6）彗星绘图t=-pi:pi/200:pi;comet(t,tan(sin(t)-sin(tan(t);3.图形注释fplot(sin(t),cos(t),0,5);title(曲线)xlabel(时间t);ylabel(幅值y);gtext(正弦函数);gtext(余项函数);grid4.三维绘图（1）三维线图t=0:pi/50:10*pi;plot3

26、(sin(t),cos(t),t);comet3(sin(t),cos(t),t);（2）单变量高度网线图Z2=1 1 ;1 1;Z4=Z2 Z2;Z2 Z2;Z8=Z4 Z4;Z4 Z4;mesh(Z8)（3）3变量马鞍面网线图x=-4:0.5:4;y=x;X ,Y=meshgrid(x,y);Z=X.2-Y.2;mesh(X,Y,Z)（4）圆锥面网线图t1=0:0.1:0.9;t2=0:0.1:2;r=t1,-t2+2;x,y,z=cylinder(r,40);mesh(x,y,z)（5）视角修饰t1=0:0.1:0.9;t2=0:0.1:2;r=t1,-t2+2;x,y,z=cylind

27、er(r,40);mesh(x,y,z)subplot(2,2,1);mesh(x,y,z);view(0,0);subplot(2,2,2);mesh(x,y,z);view(-20,20);subplot(2,2,3);mesh(x,y,z);view(-30,30);subplot(2,2,4);mesh(x,y,z);view(-40,40);（6）暖色（hot）色图peaks(20);axis(off);colormap(hot);colorbar(horiz);（7）光照修饰surfl(peaks(20);colormap(gray);shading interp;（8）透视与消隐

28、P=peaks(30);subplot(121);mesh(P);hidden off;subplot(122);mesh(P);hidden on;3.4 实验四 MATLAB句柄绘图一、实验目的1.学习图形对象（griphics）和句柄(handle)的基本知识；2.学习图形对象属性（object properties）的获得与设置；3.基本句柄绘图（handle griphics）操作；二、句柄绘图的基本原理1.基本图形对象根屏幕（Root）图形窗口(Figure)界面控制（Uicontrol）界面菜单(Uimenu)轴(Axes)线(Line)块(Patch)面(Surface)像(Image)字(Text)2.图形对象创建函数h=figure(n)； n为窗口号数h=uicontrol(property,value)； 确定控制类型h=uimenu(property,value)； 确定菜单形式h=axes(position,left,bottom,width,height)； 丁一周