計算機仿真上機實訓(xùn)指導(dǎo)書

1、實訓(xùn)1：矩陣的建立和運算1.1實訓(xùn)目的1.1.1通過上機啟動MATLAB軟件，熟悉軟件的界面和菜單；1.1.2掌握變量名的命名規(guī)則；1.1.3熟練矩陣的建立；1.1.4掌握矩陣的關(guān)系運算和掌握常用的矩陣運算指令；1.1.5熟悉文件的操作。1.2實訓(xùn)示例【例1-1】矩陣輸入Time = 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X_Data = 2.32 3.43；4.37 5.98【例1-2】矩陣運算 g = 1 2 3 4；h = 4 3 2 1； s1 = g + h，s2 = g.*h，s3 = g.h，s4 = g.2，s5 = 2.h【例1-3】矩陣運算 A=2 0 1;

2、1 3 2; B=1 7 1;4 2 3;2 0 1; M = A*B % 矩陣A與B按矩陣運算相乘X = A/B % A/B = A*B-1，即XB=A，求XY = BA % BA = B-1*A，即BY=A，求Y1.3實訓(xùn)練習(xí)1.3.1 練習(xí)數(shù)據(jù)和符號的輸入方式，將前面的命令在命令窗口中執(zhí)行通過。 1.3.2 輸入A=7 1 5；2 5 6；3 1 5，B=1 1 1; 2 2 2; 3 3 3，在命令窗口中執(zhí)行下列表達(dá)式，掌握其含義： A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A2 A.2

3、 B/A B./A。1.3.3 查找已創(chuàng)建變量的信息，刪除無用的變量。 1.3.4 利用函數(shù)產(chǎn)生3×4階單位矩陣和全部元素都是4.5的4×4階常數(shù)矩陣。1.3.5 利用畫圖軟件畫一副畫，存盤后，讀入MATLAB工具空間，將它改名字改格式另存。實訓(xùn)2：數(shù)據(jù)和函數(shù)的可視化2.1實訓(xùn)目的2.1.1掌握二維平面圖形繪制函數(shù)的應(yīng)用；2.1.2掌握圖形修飾及控制函數(shù)，能夠使用這些函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化處理，能夠利用不同顏色、線條和模塊繪制圖形；2.1.3熟悉三維圖形繪制函數(shù)的應(yīng)用，了解三維曲面繪制函數(shù)。2.2實訓(xùn)示例例2-1程序運行結(jié)果【例2-1】把當(dāng)前窗口分成四個區(qū)域，用不同顏色的

4、線和線條繪制sin(x), cos(x)，ex，log(x)的函數(shù)圖形，并加入文字標(biāo)示和網(wǎng)格。參考程序：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');grid onsubplot(222);plot(x,y2,'m-.');title('x2');grid onsubplot(223);plot(x,y3,'k:');title('xsin(x)');grid onsub

5、plot(224);plot(x,y4,'r-');title('ex');grid on【例2-2】繪制三維曲線，當(dāng)x=sin(t)，y=cos(t)時，空間高度的函數(shù)為z=sin(t)cos(t)t，請表示該圖形，并繪制網(wǎng)格線，對各軸加說明。例2-2 程序運行結(jié)果參考程序：t=0:pi/100:2*pi;x=sin(t);y=cos(t);z=sin(t).*cos(t).*t;plot3(x,y,z);grid on;xlabel('x軸');ylabel('y軸');zlabel('z軸');2.3實訓(xùn)練習(xí)

6、2.3.1 把當(dāng)前窗口分成四個區(qū)域，用不同顏色的線和線條繪制，,的函數(shù)圖形，并加入文字標(biāo)示和網(wǎng)格。2.3.2 在極坐標(biāo)中繪制函數(shù)，區(qū)間的曲線圖。2.3.3 繪制該分段函數(shù)的圖形 2.3.4 使用 MATLAB 畫一個圓心在原點、半徑等于10 的圓，并在圓周上依順時鐘方向取任意四點 A、B、C、D。2.3.5 請用 surf 指令畫出下列函數(shù)的曲面圖： 其中 x 在間共等切分為 21 點，y 在間共等切分為 21 點，所以，此曲面共有 21×21=441 個點。 2.3.6一個空間中的橢球可以表示成下列方程式： 請使用任何你可以想到的方法，畫出三維空間中的一個平滑的橢球，其中a = 3

7、，b = 4，c = 8。2.3.7 畫直徑為30的球面，在同一個窗口，分別使用兩種不同的光源和平滑處理，表示出光源點。2.3.8 某班計算機考試成績，90分以上的同學(xué)有8人，80分至90分的同學(xué)有25人，70分至80分的同學(xué)有15人，60分至70分的同學(xué)有12人，60分以下的同學(xué)有9人，請用圖形表示，并讓不及格的人數(shù)突出顯示。實訓(xùn)3：編程操作3.1實訓(xùn)目的3.1.1掌握M文件的建立，熟悉M文件的調(diào)試3.1.2掌握if，switch，while，for幾種程序流程語句3.1.3熟悉函數(shù)文件的基本結(jié)構(gòu)及函數(shù)調(diào)用3.2實訓(xùn)示例例：求下面這個分?jǐn)?shù)序列前20項之和 ， 參考程序：x=2;y=1;sum

8、=0;for i=1:20 sum=sum+x/y; t=x; x=x+y; y=t;endsum3.3實訓(xùn)練習(xí)3.3.1 編寫程序，計算1+3+5+7+(2n+1)的值（用input語句輸入 n 值）。3.3.2 已知，求S的值3.3.3 編寫程序，計算如下的分段函數(shù) 計算出，的值。3.3.4 分別用for和while循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序并計算 3.3.5 將10個學(xué)生5門功課的成績存入矩陣P中，進(jìn)行如下處理：分別求每門課的最高分，最低分及相應(yīng)的學(xué)生序號；分別求每門課的平均分和標(biāo)準(zhǔn)方差；5門課總分的最高分，最低分及相應(yīng)學(xué)生序號；將5門課總分按從大到小順序存入zcj中，相應(yīng)學(xué)生序號存入xzcj中。

9、備注：英語：88 78 91 65 72 93 73 91 82 67高數(shù)：79 68 85 72 67 87 81 79 78 71馬思：82 61 88 71 82 89 78 90 76 65制圖：78 68 86 68 78 85 77 88 73 80化學(xué)：87 82 76 87 85 78 91 77 80 58實訓(xùn)4：系統(tǒng)建模4.1實訓(xùn)目的4.1.1掌握動態(tài)系統(tǒng)仿真的MATLAB建模及相關(guān)的模型運算指令；4.1.2掌握MATLAB在機電系統(tǒng)建模中的應(yīng)用。4.2實訓(xùn)示例例：對下圖4-1所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼機械系統(tǒng)，m=5kg，k=2N/m，c=0.1N/m.s-1，建立MATLA

10、B狀態(tài)空間模型。 圖4-1參考程序：%對機械系統(tǒng)建立MATLAB狀態(tài)空間模型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實訓(xùn)練習(xí)4.3.1試用MATLAB語言表示圖4-2所示系統(tǒng)。當(dāng)分別以y=x2和f為系統(tǒng)輸出、輸入時的傳遞函數(shù)模型和狀態(tài)空間模型。圖中，。4.3.2試用MATLAB語言分別表示圖4-3所示系統(tǒng)質(zhì)量m1、m2的位移x1、x2對輸入f的傳遞函數(shù)X2(s)/F(s)和X1(s)/F(s)，其中m1=12kg，m2=38kg，k=1000N/m，c=0.1N/m.s-1。圖4-2 圖4-3

11、 實訓(xùn)5：系統(tǒng)時間響應(yīng)及其仿真5.1實訓(xùn)目的5.1.1掌握數(shù)字仿真的基本方法5.1.2掌握Matlab的用于仿真的主要函數(shù)及其應(yīng)用5.1.3掌握采樣控制系統(tǒng)仿真方法5.2實訓(xùn)示例例：系統(tǒng)階躍響應(yīng)編寫一個簡單的M文件，計算二階動態(tài)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，值從0.1到1，且繪制出一簇階躍響應(yīng)曲線。二階動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下： 分別設(shè)固有頻率為1、2。參考程序：%progsy21.mw=1;y=zeros(200,1);i=1;num=w*w;for zeta=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;

12、endmesh(fliplr(y),120 30)zlabel('Y')ylabel('t')xlabel('zeta')grid5.3實訓(xùn)練習(xí)5.3.1系統(tǒng)建模、模型轉(zhuǎn)換及仿真用MATLAB語言表示圖5-1所示系統(tǒng)的模型，并給出三種模型的具體表達(dá)；進(jìn)行單位階躍響應(yīng)和周期為30s的方波響應(yīng)。 圖5-1實訓(xùn)6：系統(tǒng)頻率響應(yīng)及其仿真練習(xí)6.1實訓(xùn)目的掌握頻域仿真的方法和主要的仿真指令。6.2實訓(xùn)示例例：系統(tǒng)頻率特性分析已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 繪制當(dāng)=5、30時系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖，計算幅值裕度、相位裕度，并分析對應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；利用圖

13、形屬性功能，在開環(huán)Bode圖上，顯示幅值裕度、相位裕度；繪制對應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，顯示動態(tài)性能參數(shù)。參考程序： 教材中，例73、4、5的程序。6.3實訓(xùn)練習(xí)系統(tǒng)分析圖形用戶界面使用練習(xí)已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 利用系統(tǒng)分析圖形用戶界面LTI View，分析系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)和頻率特性。實訓(xùn)7：控制系統(tǒng)的綜合與校正7.1實訓(xùn)目的掌握控制系統(tǒng)的綜合與校正的方法。7.2實訓(xùn)示例設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)如圖7-1所示，其特征參數(shù)為 rad/s，。所需的穿越頻率為rad/s，試確定RC無源網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)T或轉(zhuǎn)折頻率，并求該速度控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線。 圖7-1閥控液壓馬達(dá)速

14、度控制系統(tǒng)方框圖解：根據(jù)所需的穿越頻率rad/s及速度開環(huán)增益，由式 可得 則圖7-1所示的速度控制系統(tǒng)通過RC無源網(wǎng)絡(luò)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為該速度控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型如圖7-2所示，取程序名：lt600.mdl圖7-2 速度控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型%開環(huán)伯德圖程序num=20;den=conv(1,1,1/2002,0.2/200,1);sys=tf(num,den);bode(sys)圖7-3 速度控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果其開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線如圖7-3所示。由圖7-3可知，校正后的速度控制系統(tǒng)的幅值裕度dB，相位裕度，穿越頻率rad/s，系統(tǒng)穩(wěn)定，但存在一定的穩(wěn)態(tài)

15、誤差。7.3實訓(xùn)練習(xí)7.3.1試判斷如下圖7-4所示速度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并選定適當(dāng)?shù)男Ｕ椒ㄊ贡鞠到y(tǒng)正常工作。要求采用MATIAB語言編程繪制校正前后的系統(tǒng)Bode圖，并進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)的時域仿真。（圖7-5為該系統(tǒng)方塊圖）圖7-4系統(tǒng)原理圖圖7-5系統(tǒng)方塊圖實訓(xùn)8：SIMULINK動態(tài)仿真8.1實訓(xùn)目的8.1.1熟悉主要模塊庫中的模塊；8.1.2熟悉Simulink仿真框圖的繪制方法，初步掌握常用模塊的參數(shù)設(shè)置方法。8.2實訓(xùn)示例例：有初始狀態(tài)為0的二階微分方程, 其中u(t)是單位階躍函數(shù)，試建立系統(tǒng)模型并仿真。參考建模：用積分器直接構(gòu)造求解微分方程的模型。8.3實訓(xùn)練習(xí)8.3.1系統(tǒng)的頻率

16、響應(yīng)演示按圖8-1所示框圖，構(gòu)造Simulink仿真框圖，改變輸入正弦信號的頻率進(jìn)行頻率響應(yīng)演示。改變系統(tǒng)的前向通道中的傳遞函數(shù)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。圖8-1 繪出自己繪制的仿真框圖，并附上仿真的結(jié)果； 分析頻率響應(yīng)的特點。8.3.2曲柄滑塊機構(gòu)的運動學(xué)仿真（參考教材第199頁）圖8-2所示為一標(biāo)有連接件編號和位置角度的曲柄滑塊機構(gòu)示意圖。連桿的長度r2、r3已知，曲柄輸入角速度或角加速度已知。圖8-2曲柄滑塊機構(gòu)簡圖 實訓(xùn)要求: (1)構(gòu)造Simulink仿真框圖，并附上編寫的程序和仿真的結(jié)果；(2)如果將simulink模型中的示波器改為TO workspace 模塊，其他參數(shù)不變，分別繪制滑塊位移曲線、滑塊速度運動曲線。8.3.3直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖仿真已知晶閘管直流電動機單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖8-3所示。其中，電樞電阻Ra0.5，系統(tǒng)主電路總電阻R1，額定磁通下的電機電動勢轉(zhuǎn)速比Ce0.1925V.min/r，電樞回路的電磁時間常數(shù)Ta0.017s，系統(tǒng)運