計算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書2015版(MATLAB)

1、計算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書濱州學(xué)院光電工程系目 錄實(shí)驗(yàn)一 MATLAB環(huán)境的熟悉與基本運(yùn)算1實(shí)驗(yàn)二 MATLAB數(shù)值及符號運(yùn)算7實(shí)驗(yàn)三 MATLAB語言的程序設(shè)計11實(shí)驗(yàn)四 MATLAB的圖形繪制15實(shí)驗(yàn)五 線性系統(tǒng)時域響應(yīng)仿真分析20實(shí)驗(yàn)六 控制系統(tǒng)的根軌跡24實(shí)驗(yàn)七 控制系統(tǒng)的頻率特性分析29實(shí)驗(yàn)八 Simulink建模與仿真34實(shí)驗(yàn)九 基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計42實(shí)驗(yàn)一 Matlab使用方法（數(shù)組和矩陣的基本運(yùn)算）實(shí)驗(yàn)二 Matlab程序設(shè)計基本方法實(shí)驗(yàn)三 數(shù)值計算與繪圖實(shí)驗(yàn)四 Simulink建模與仿真實(shí)驗(yàn)五 控制系統(tǒng)的分析（1）時域分析、頻域分析和根軌跡分析實(shí)驗(yàn)六 控制系統(tǒng)的分析（2）

2、穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)七 經(jīng)典控制系統(tǒng)設(shè)計根軌跡法實(shí)驗(yàn)八 經(jīng)典控制系統(tǒng)設(shè)計Bode圖法實(shí)驗(yàn)一 MATLAB環(huán)境的熟悉與基本運(yùn)算 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1熟悉MATLAB開發(fā)環(huán)境2掌握矩陣、變量、表達(dá)式的各種基本運(yùn)算二、實(shí)驗(yàn)基本知識： 1.熟悉MATLAB環(huán)境: MATLAB桌面和命令窗口、命令歷史窗口、幫助信息瀏覽器、工作空間瀏覽器文件和搜索路徑瀏覽器。2.掌握MATLAB常用命令clc 清除命令窗口中內(nèi)容clear 清除工作空間中變量help 對所選函數(shù)的功能、調(diào)用格式及相關(guān)函數(shù)給出說明lookfor 查找具有某種功能的函數(shù)但卻不知道該函數(shù)的準(zhǔn)確名稱who查詢工作空間中的變量信息3.MATLAB變量與運(yùn)算

3、符變量命名規(guī)則如下： （1） 變量名可以由英語字母、數(shù)字和下劃線組成（2） 變量名應(yīng)以英文字母開頭（3） 長度不大于31個（4） 區(qū)分大小寫MATLAB中設(shè)置了一些特殊的變量與常量，列于下表。表1 MATLAB的特殊變量與常量變量名 功能說明 變量名 功能說明 ANS 默認(rèn)變量名，以應(yīng)答最近一次操作運(yùn)算結(jié)果realmin 最小的正實(shí)數(shù)i或j 虛數(shù)單位INF(inf) 無窮大pi 圓周率NAN(nan) 不定值（0/0） eps 浮點(diǎn)數(shù)的相對誤差nargin 函數(shù)實(shí)際輸入?yún)?shù)個數(shù)realmax 最大的正實(shí)數(shù)nargout 函數(shù)實(shí)際輸出參數(shù)個數(shù) MATLAB運(yùn)算符，通過下面幾個表來說明MATLAB

4、的各種常用運(yùn)算符表2 MATLAB算術(shù)運(yùn)算符操作符 功能說明 操作符 功能說明 + 加 矩陣左除- 減. 數(shù)組左除* 矩陣乘/ 矩陣右除.* 數(shù)組乘./ 數(shù)組右除 矩陣乘方 矩陣轉(zhuǎn)置. 數(shù)組乘方. 數(shù)組轉(zhuǎn)置表3 MATLAB關(guān)系運(yùn)算符操作符 功能說明 = 等于= 不等于 大于= 大于等于= 小于等于表4 MATLAB邏輯運(yùn)算符邏輯運(yùn)算符 邏輯運(yùn)算 說明 & And 邏輯與| Or 邏輯或 Not 邏輯非Xor 邏輯異或表5 MATLAB特殊運(yùn)算符號 功能說明示例 符號 功能說明示例 ： 1:1:4;1:2:11 . ； 分隔行 . ， 分隔列 （） % 注釋 構(gòu)成向量、矩陣 ！ 調(diào)用操作系統(tǒng)命

5、令 構(gòu)成單元數(shù)組= 用于賦值 4.MATLAB的一維、二維數(shù)組的尋訪表6 子數(shù)組訪問與賦值常用的相關(guān)指令格式指令格式 指令功能 A(r,c) 數(shù)組A中r指定行、c指定列之元素組成的子數(shù)組A(r,:) 數(shù)組A中r指定行對應(yīng)的所有列之元素組成的子數(shù)組A(:,c) 數(shù)組A中c指定列對應(yīng)的所有行之元素組成的子數(shù)組A(:) 數(shù)組A中各列元素首尾相連組成的“一維長列”子數(shù)組A(i) 一維長列子數(shù)組中的第i個元素A(r,c)=Sa 數(shù)組A中r指定行、c指定列之元素組成的子數(shù)組的賦值A(chǔ)(:)=D(:) 數(shù)組全元素賦值，保持A的行寬、列長不變，A、D兩組元素總合應(yīng)相同5.MATLAB的基本運(yùn)算表7 兩種運(yùn)算指令

6、形式和實(shí)質(zhì)內(nèi)涵的異同表數(shù)組運(yùn)算 矩陣運(yùn)算 指令 含義 指令 含義 A 非共軛轉(zhuǎn)置A 共軛轉(zhuǎn)置A=s 把標(biāo)量s賦給A的每個元素s+B 標(biāo)量s分別與B元素之和s-B,B-s 標(biāo)量s分別與B元素之差s.*A 標(biāo)量s分別與A元素之積s*A 標(biāo)量s分別與A每個元素之積s./B,B.s 標(biāo)量s分別被B的元素除S*inv(B)B陣的逆乘s A.n A的每個元素自乘n次An A陣為方陣，自乘n次A.p 對A各元素分別求非整數(shù)冪Ap 方陣A的非整數(shù)乘方A+B 對應(yīng)元素相加A+B 矩陣相加A-B 對應(yīng)元素相減A-B 矩陣相減A.*B 對應(yīng)元素相乘A*B 內(nèi)維相同矩陣相乘A./B A的元素別B的對應(yīng)元素除A/B A

7、右除B B.A 與上相同BA A左除B exp(A) 以自然數(shù)e為底，分別以A的元素為指數(shù)，求冪expm(A)A的矩陣指數(shù)函數(shù)log(A) 對A的各元素求對數(shù)logm(A) A的矩陣對數(shù)函數(shù)sqrt(A) 對A的各元素求平方根sqrtm(A)A的矩陣平方根函數(shù) 6.MATLAB的常用函數(shù)表8 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組生成函數(shù)指令 含義 指令 含義 diag 產(chǎn)生對角形數(shù)組（對高維不適用）rand 產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)數(shù)組eye 產(chǎn)生單位數(shù)組（對高維不適用） randn產(chǎn)生正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)組magic 產(chǎn)生魔方數(shù)組（對高維不適用） zeros產(chǎn)生全0數(shù)組ones 產(chǎn)生全1數(shù)組size()返回指定矩陣的行數(shù)和列數(shù)表9

8、數(shù)組操作函數(shù)指令 含義 diag 提取對角線元素，或生成對角陣flipud以數(shù)組“水平中線”為對稱軸，交換上下對稱位置上的數(shù)組元素fliplr 以數(shù)組“垂直中線”為對稱軸，交換左右對稱位置上的數(shù)組元素reshape在總元素數(shù)不變的前提下，改變數(shù)組的“行數(shù)、列數(shù)” rot90 矩陣逆時針旋轉(zhuǎn)90度det 方陣的行列式值rank 矩陣的秩三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、新建一個文件夾（自己的名字命名） 2、啟動MATLAB6.5，將該文件夾添加到MATLAB路徑管理器中。方法如下： 3、保存，關(guān)閉對話框 4、學(xué)習(xí)使用help命令，例如在命令窗口輸入help eye，然后根據(jù)幫助說明，學(xué)習(xí)使用指令eye（其它不會

9、用的指令，依照此方法類推） 5、學(xué)習(xí)使用clc、clear，觀察command window、command history和workspace等窗口的變化結(jié)果。6、初步程序的編寫練習(xí)，新建M-file，保存（自己設(shè)定文件名，例如exerc1、exerc2、 exerc3），學(xué)習(xí)使用MATLAB的基本運(yùn)算符、數(shù)組尋訪指令、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組生成函數(shù)和數(shù)組操作函數(shù)。注意：每一次M-file的修改后，都要存盤。練習(xí)A： （1） help rand，然后隨機(jī)生成一個26的數(shù)組，觀察command window、command history和workspace等窗口的變化結(jié)果。（2）學(xué)習(xí)使用clc、clear

10、，了解其功能和作用。（3）輸入C=1:2:20，則C（i）表示什么？其中i=1,2,3,10。（4）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 B/A B./A（5）二維數(shù)組的創(chuàng)建和尋訪，創(chuàng)建一個二維數(shù)組（48）A， 查詢數(shù)組A第2行、第3列的元素，查詢數(shù)組A第2行的所有元素，查詢數(shù)組A第6列的所有元素。（6） 兩種運(yùn)算指令形式和實(shí)質(zhì)內(nèi)涵的比較。設(shè)有3個二

11、維數(shù)組A24，B24，C22，寫出所有由2個數(shù)組參與的合法的數(shù)組運(yùn)算和矩陣指令。（7） 學(xué)習(xí)使用表8列的常用函數(shù)（通過help方法） （8） 學(xué)習(xí)使用表9數(shù)組操作函數(shù)。 練習(xí)B（10）用reshape指令生成下列矩陣，并取出方框內(nèi)的數(shù)組元素。實(shí)驗(yàn)二 MATLAB數(shù)值及符號運(yùn)算一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解伴隨矩陣、稀疏矩陣、魔方矩陣、對角矩陣、范德蒙等矩陣的創(chuàng)建，掌握矩陣的基本運(yùn)算2、掌握矩陣的數(shù)組運(yùn)算3、掌握多項式的基本運(yùn)算4、會求解代數(shù)方程5、掌握創(chuàng)建符號表達(dá)式和矩陣的方法6、掌握符號表達(dá)式的微分和積分運(yùn)算二、 實(shí)驗(yàn)基本知識：1、創(chuàng)建矩陣的方法：直接輸入法；用matlab函數(shù)創(chuàng)建矩陣2、矩陣運(yùn)算

12、：矩陣加、減（,）運(yùn)算矩陣乘（*）運(yùn)算矩陣乘方inv 矩陣求逆det 行列式的值eig 矩陣的特征值diag 對角矩陣 矩陣轉(zhuǎn)置sqrt 矩陣開方3、矩陣的數(shù)組運(yùn)算：數(shù)組加減(.+,.-)：對應(yīng)元素相加減數(shù)組乘(.*）：a，b兩數(shù)組必須有相同的行和列，兩數(shù)組相應(yīng)元素相乘數(shù)組除（./，.）：a./b=b.a 都是b的元素被a的對應(yīng)元素除（a除以b）a.b=b./a 都是a的元素被b的對應(yīng)元素除（ 除以a）數(shù)組乘方(.)：元素對元素的冪數(shù)組點(diǎn)積（點(diǎn)乘）：維數(shù)相同的兩個向量的點(diǎn)乘，其結(jié)果是一個標(biāo)量數(shù)組叉積：就是一個過兩個相交向量的交點(diǎn)且垂直于兩個向量所在平面的向量數(shù)組混合積:先叉乘后點(diǎn)乘4、多項式運(yùn)

13、算 poly 產(chǎn)生特征多項式系數(shù)向量roots 求多項式的根p=poly2str(c,x)（以習(xí)慣方式顯示多項式）conv,convs多項式乘運(yùn)算deconv多項式除運(yùn)算多項式微分polyder(p): 求p的微分polyder(a,b): 求多項式a,b乘積的微分p,q=polyder(a,b): 求多項式a,b商的微分5、代數(shù)方程組求解1）.恰定方程組的解方程ax=b(a為非奇異)兩種求解方法： x=inv(a)*b 采用求逆運(yùn)算解方程 x=ab 采用左除運(yùn)算解方程 2）超定方程組的解方程 ax=b ,m-pi ) w0=w0+0.01;endw=w0;% 計算臨界開環(huán)增益k=sqrt(1

14、+w2);% 繪制系統(tǒng)開環(huán)幅相特性圖G=tf(k,1,1,inputdelay,0.8);nyquist(G)繪制所給系統(tǒng)的奈奎斯特圖并判別穩(wěn)定的K值范圍。6實(shí)驗(yàn)報告 1）畫出各系統(tǒng)的奈奎斯特圖和波特圖；2）利用系統(tǒng)波特圖和奈奎斯特圖對控制系統(tǒng)性能進(jìn)行分析；實(shí)驗(yàn)八 Simulink建模與仿真一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)SIMULINK 軟件工具的使用方法；2 用SIMULINK 仿真線性系統(tǒng)；二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1SIMULINK簡介 SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)

15、果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。2 SIMULINK的啟動進(jìn)入SIMULINK界面，只要你在MATLAB命令窗口提示符下鍵入SIMULINK，按回車鍵即可啟動SIMULINK軟件。在啟動S IMULINK軟件之后，SIMULINK的主要方塊圖庫將顯示在一個新的Windows中。如圖8-1所示：

16、 在MATLAB命令窗口中輸入simulink ：結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。圖8-1 SIMULINK的主要方塊圖庫3SIMULINK的模塊庫介紹SIMILINK模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）4SIMULINK簡單模型的建立（1）建立

17、模型窗口（2）將功能模塊由模塊庫窗口復(fù)制到模型窗口（3）對模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型5SIMULINK功能模塊的處理（1）模塊庫中的模塊可以直接用鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳（選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放）而放到模型窗口中進(jìn)行處理。（2）在模型窗口中，選中模塊，則其4個角會出現(xiàn)黑色標(biāo)記。此時可以對模塊進(jìn)行以下的基本操作：n 移動：選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動，可按住shift鍵，再進(jìn)行拖曳；n 復(fù)制：選中模塊，然后按住鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行拖曳即可復(fù)制同樣的一個功能模塊；n 刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要刪除多個模塊，可以同時按住Shift鍵，再用鼠標(biāo)選中多個模塊

18、，按Delete鍵即可。也可以用鼠標(biāo)選取某區(qū)域，再按Delete鍵就可以把該區(qū)域中的所有模塊和線等全部刪除；n 轉(zhuǎn)向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時需要轉(zhuǎn)向。在菜單Format中選擇Flip Block旋轉(zhuǎn)180度，選擇Rotate Block順時針旋轉(zhuǎn)90度?；蛘咧苯影碈trl+F鍵執(zhí)行Flip Block，按Ctrl+R鍵執(zhí)行Rotate Block。n 改變大?。哼x中模塊，對模塊出現(xiàn)的4個黑色標(biāo)記進(jìn)行拖曳即可。n 模塊命名：先用鼠標(biāo)在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，可以用Format菜單中的Flip Name來實(shí)

19、現(xiàn)，也可以直接通過鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳。Hide Name可以隱藏模塊名稱。n 顏色設(shè)定： Format菜單中的Foreground Color可以改變模塊的前景顏色，Background Color可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過Screen Color來改變。n 參數(shù)設(shè)定：用鼠標(biāo)雙擊模塊，就可以進(jìn)入模塊的參數(shù)設(shè)定窗口，從而對模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。參數(shù)設(shè)定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點(diǎn)擊其上的help按鈕。通過對模塊的參數(shù)設(shè)定，就可以獲得需要的功能模塊。n 屬性設(shè)定：選中模塊，打開Edit菜單的Block Properties可以對模塊進(jìn)行屬性設(shè)定。包括Des

20、cription屬性、 Priority優(yōu)先級屬性、Tag屬性、Open function屬性、Attributes format string屬性。其中Open function屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數(shù)名，則當(dāng)該模塊被雙擊之后，Simulink就會調(diào)用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調(diào)函數(shù)。n 模塊的輸入輸出信號：模塊處理的信號包括標(biāo)量信號和向量信號；標(biāo)量信號是一種單一信號，而向量信號為一種復(fù)合信號，是多個信號的集合，它對應(yīng)著系統(tǒng)中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數(shù)模塊的輸出都為標(biāo)量信號，對于輸入信號，模塊都具有一種“智能”的識別功能，能自動進(jìn)行匹配。某些模塊通過

21、對參數(shù)的設(shè)定，可以使模塊輸出向量信號。6SIMULINK應(yīng)用舉例+以具有雙積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)G（S）為例，該系統(tǒng)的開環(huán)是不穩(wěn)定的，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，使用超前校正環(huán)節(jié)K（S）進(jìn)行串聯(lián)校正，見圖8-2。- 圖8-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在建模之前，你需要創(chuàng)建一個工作區(qū)域。創(chuàng)建一個工作區(qū)域的方法為，選擇File 項，然后再選擇New ，這將開始一個新的窗口，其窗口名為“Untiledl”，可以在該窗口內(nèi)構(gòu)造系統(tǒng)模型，并稱這個窗口為工作窗口。為了得到這個系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，可以由兩個傳遞函數(shù)、一個求和點(diǎn)、一個輸入源及兩個輸出觀測點(diǎn)等6個部分組成這個系統(tǒng)。 輸入源的元件位于Sources 庫；傳遞函數(shù)與綜合點(diǎn)方塊都位于線

22、性部分（Linear）庫中。用同樣方法，可將該庫中的Transfer Fcn與Sum圖形拖曳到工作空間，然后關(guān)閉Linear庫； 如何得到其仿真的輸出結(jié)果。在Sinks庫中有三個功能方塊可用于顯示或存儲輸出結(jié)果。Scope 功能塊可以像一臺示波器，實(shí)時地顯示任何信號的仿真結(jié)果。To Workspace功能塊可以把輸出值以矢量的形式存儲在MATLAB工作空間中，這樣可以在MATLAB環(huán)境下分析與繪制其輸出結(jié)果。To File功能塊可以把數(shù)據(jù)存儲到一個給定名字的文件中。用同樣方法，將Scope拖曳到工作空間，并關(guān)閉Sinks庫窗口。打開Sum功能塊，在List of Signs處輸入“+”、“”符

23、號。如果綜合點(diǎn)超過了兩個輸入點(diǎn)，只要簡單地輸入其正、負(fù)號，即可自動地增加其相應(yīng)地輸入點(diǎn)。打開StepFcn功能塊，有三個空白框可以填入?yún)?shù)。Steptime是階躍響應(yīng)的初始時間。此項可填0，即零時刻開始階躍響應(yīng)。另外兩項為初始值（Initial value）和終值（Final value）。這兩項可分別輸入0和1。打開工作空間功能塊。輸入y作為變量名（Variable name），對應(yīng)最大行數(shù)項（Maximum number of rows），輸入100。每一行對應(yīng)一個時間間隔。在系統(tǒng)仿真過程中，可以輸入0到9.9，間隔為0.1，生成100個點(diǎn)。最后，要將這些方塊連接起來。除Sources與Sinks功能塊外，所有其他方塊中至少有一個輸出點(diǎn)，即在方塊旁有一個符號指向外面，也至少有一個輸入點(diǎn)，即在方塊旁有一個符號指向里面，Sources功能塊沒有輸入點(diǎn)，只有輸出點(diǎn)，而