《实验一 指导书 matlab 在控制系统模型建立与仿真中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验一 指导书 matlab 在控制系统模型建立与仿真中的应用（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验一 MATLAB 在控制系统模型建立与仿真中的应用在控制系统模型建立与仿真中的应用一、 MATLAB 基本操作与使用1.1. 实验目的实验目的1) 熟悉 MATLAB工作环境平台及其各个窗口，掌握MATLAB 语言的基本规定， MATLAB图形绘制功能、M 文件程序设计。 2) 学习使用MATLAB控制系统工具箱中线性控制系统传递函数模型的相关函数。2.2. 实验仪器实验仪器PC计算机一台，MATLAB软件1套3.3. 实验内容实验内容1) MATLAB工作环境工作环境平台平台图1 在英文Windows 平台上的MATLAB6.5 MATLAB工作平台 命令窗口（Command Windo
2、w） 命令窗口是对 MATLAB 进行操作的主要载体，默认的情况下，启动MATLAB 时就会打开 命令窗口，显示形式如图 1 所示。一般来说，MATLAB的所有函数和命令都可以在命令窗口 中执行。掌握 MALAB 命令行操作是走入 MATLAB 世界的第一步。命令行操作实现了对程序 设计而言简单而又重要的人机交互，通过对命令行操作，避免了编程序的麻烦，体现了 MATLAB 所特有的灵活性。 在运行MATLAB后，当命令窗口为活动窗口时，将出现一个光标，光标的左侧还出现 提示符“”，表示MATLAB正在等待执行命令。注意：每个命令行键入完后，都必须按 回车键！ 当需要处理相当繁琐的计算时，可能在
3、一行之内无法写完表达式，可以换行表示，此 时需要使用续行符“”否则 MATLAB 将只计算一行的值，而不理会该行是否已输入完毕。使用续行符之后 MATLAB 会自动将前一行保留而不加以计算，并与下一行衔接，等待 完整输入后再计算整个输入的结果。 在 MATLAB 命令行操作中，有一些键盘按键可以提供特殊而方便的编辑操作。比如： “”可用于调出前一个命令行，“”可调出后一个命令行，避免了重新输入的麻烦。 当然下面即将讲到的历史窗口也具有此功能。 历史窗口（Command History）Command Window历史命令窗口是 MATLAB6 新增添的一个用户界面窗口，默认设置下历史命令窗口会
4、保 留自安装时起所有命令的历史记录，并标明使用时间，以方便使用者的查询。而且双击某 一行命令，即在命令窗口中执行该命令。 当前目录窗口（Current Directory） 在当前目录窗口中可显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件，包括文件 名、文件类型、最后修改时间以及该文件的说明信息等并提供搜索功能。 工作空间管理窗口（Workspace） 工作空间管理窗口是 MATLAB 的重要组成部分。在工作空间管理窗口中将显示所有目 前保存在内存中的 MATLAB 变量的变量名、数据结构、字节数以及类型，而不同的变量类 型分别对应不同的变量名图标。2) MATLAB 的基本规定的基本规定 （
5、1） 数值的表示 MATLAB 的数值采用十进制，可以带小数点或负号。以下表示都合法。0， -100， 0.008， 12.752，1.8e-6 ，8.2e52 （2） 变量命名规定 变量名、函数名：字母大小写表示不同的变量名。如A 和a 表示不同的变量名； sin 是MATLAB 定义的正弦函数，而Sin，SIN 等都不是。 变量名的第一个字母必须是英文字母，不能是数字，最多可包含31 个字符（英文、 数字和下连字符）。如A21 是合法的变量名，而3A21 是不合法的变量名。 变量名中不得包含空格、标点，但可以有下连字符。如变量名A _b21 是合法变量 名，而A，21 是不合法的。 （3）
6、 基本运算符 表1 MATLAB 表达式的基本运算符数学表达式MATLAB 运算符MATLAB 表达式加a + b+a + b减abab乘ab*a*b除ab/或a/b或ab幂abab点乘两矩阵元素相乘.*a.*b（4） MATLAB 默认的预定义变量 在MATLAB 中有一些预定义变量（predefined variable）。每当MATLAB 启动，这些 变量就被产生。用户在定义变量时，尽量避开表2 所列预定义变量名，以免产生混淆。表2 MATLAB 的预定义变量预定义变量含义预定义变量含义ans计算结果的缺省变量名NaN或nan未定式，如0/0eps机器零阈值nargin函数输入宗量数目f
7、lops浮点运算次数nargout函数输出宗量数目Inf 或inf无穷大，如1/0realmax最大正实数i 或j 虚单元i = j =1realmin最小正实数pi圆周率对对自动控制理论自动控制理论书书p409p409410410中简单数学运算的例子，请在中简单数学运算的例子，请在MATLABMATLAB 命令窗口中对命令窗口中对 这些运算进行验证。这些运算进行验证。（5） MATLAB 的矩阵运算 （课本P410411）矩阵的输入和矩阵的运算对课本对课本p410p410411411中矩阵运算的例子，请在中矩阵运算的例子，请在MATLABMATLAB 命令窗口中对这些运算进行验证。命令窗口中
8、对这些运算进行验证。3） MATLAB 图形绘制图形绘制 在二维曲线绘制中，最基本的指令是plot（ ）函数。如果用户将x 和y 两组数据分别 在向量x 和y 中存储，且它们的长度相同，调用该函数的格式为： plot（x，y） 这时将在一个图形窗口上绘出所需要的二维图形。在MATLAB 命令窗口提示符“”下键入 help plot ,可得到plot（ ）函数的相关内容，如曲线颜色和线型的改变。 任务一：任务一：在MATLAB 命令窗口提示符“”下，完成下述任务： 任务（1）绘制一个周期内的正弦曲线。先产生自变量t 时间向量，由给出的自变量时 间向量求取其正弦函数值向量，然后调用plot（ ）函
9、数绘制曲线。 程序： N=pi/32; t=0:N:2*pi; y=sin(t); subplot(221); plot(t,y,b); grid 任务（2） 在一个绘图窗口上同时绘制多条曲 线。参考课本参考课本p411p411412412，写成命令，完成上述任，写成命令，完成上述任 务（务（1 1）和任务（）和任务（2 2）。）。 N=pi/32;N=pi/32; t=0:N:4*pi;t=0:N:4*pi; y0=exp(t/4);y0=exp(t/4); y1=exp(t/4).*sin(3*t);y1=exp(t/4).*sin(3*t); subplot(211);subplot(2
10、11); plot(t,y0,-r,t,-y0,-r,t,y1,b);plot(t,y0,-r,t,-y0,-r,t,y1,b); gridgrid 4) M 文件文件程程 序设序设计计对于 简单问 题，使 用直接 输入命 令简单有效，但对于较复杂和多次重复的问题，直接输入命令比较麻烦，使用M文件则简便。 MATLAB不仅用命令行方式工作，还可以像 BASIC、FORTRAN、C等其他高级计算 机语言一样进行控制流的程序设计（MATLAB 语言的流程控制语句主要有 for、while、if- else-end 及 switch-case 等 4 种语句）。MATLAB控制流，即编制一种以 .
11、m为扩展名 的 MATLAB 程序（简称 M 文件）。由于商用的 MATLAB 软件是用 C 语言编写而成。 因此，M 文件的语法与 C 语言十分相似。 建立和运行M文件程序的过程如下： 打开M文件编辑窗口：在图1中选择FileNewMfile菜单项实现，在M文件编 辑窗口键入M文件的各行命令代码，例如输入课本P412M文件部分的例子代码 保存文件：在图2中选择FileSave菜单项，保存文件。例如可键入exp1,上述命 令行就保存为exp1.m。图2 建立和运行M文件程序的过程 调试运行M文件程序：可在图中选择DebugRun菜单项，全速运行M文件程序。 也可用鼠标点击行号后短横线，给程序设
12、置断点，选择DebugStep，单步运行M 文件程序，并根据工作空间管理窗口（Workspace）结果了解每条指令的功能。此 外，在MATLAB命令窗口键入exp1（该M文件的名字，注意不写后缀）即可运行该M 文件。 任务二：按上面的过程来建立并保存一个任务二：按上面的过程来建立并保存一个M文件程序，并调试运行文件程序，并调试运行M文件程序。文件程序。 建立并保存建立并保存m m文件：文件：调试运行文件：运行结果5) MATLAB控制系统工具箱中的线性系统传递函数模型控制系统工具箱中的线性系统传递函数模型的相关函数的相关函数（1）tf ( )函数 若要在MATLAB 环境下得到传递函数的形式，
13、可以调用tf ( )函数。该函数的调用格式 为G = tf ( num, den ); 其中num, den 分别为系统传递函数的分子和分母多项式系数向量。返回的G 为传递函数形 式。 但如果分子或分母多项式给出的不是完全的展开的形式，而是若干个因式的乘积，则 事先需要将其变换为完全展开的形式，两个多项式的乘积在MATLAB下借用卷积求取函数 conv( )得出，其调用格式为p=conv(p1,p2) 其中p1和p2为两个多项式，调用这个函数就能返回乘积多项式p。如果有3个多项式的乘积， 就需要嵌套使用此函数，即 p=conv(p1,conv(p2,p3) 或 p=conv(conv(p1,p
14、2),p3) 请注意在调用时括号的匹配。 MATLAB还支持一种特殊的传递函数的输入格式，在这样的输入方式下，应该先用 s=tf(s)定义传递函数算子，然后用数学表达式直接输入系统的传递函数。请自己通过下面 两个例子来演示和掌握tf ()和s=tf(s)算子这两种输入方式。例1 设系统传递函数 134223523423sssssssG输入方式一：num = 1, 5, 3, 2; den = 1, 2, 4, 3, 1; %分子多项式和分母多项式G = tf ( num, den ); %这样就获得系统的数学模型G 了。 这些命令可在命令行输入也可编成一个M文件。在MATLB提示符“”下键入G
15、，或 省略最后命令中分号，则可显示该数学模型。 输入方式二：s=tf(s); G=( s3 + 5* s2 + 3* s + 2)/( s4 + 2*s3 + 4* s2 + 3* s + 1);任务三：设系统传递函数任务三：设系统传递函数 采用上面两种输入方式，输入其传递函数，采用上面两种输入方式，输入其传递函数，432534ssssG并记录命令。并记录命令。 输入方式一：输入方式一：输入方式二：输入方式二：例2 设系统传递函数 ) 1)(43() 1()4 . 2(5222sssssG此题分子或分母多项式给出的不是完全展开的形式，而是若干个因式的乘积，采用tf () 这一种输入法之前，应先用conv( )函数获得分子和分母多项式给出的完全展开的形式num 和den，即输入命令： num=conv(0,5,1,2.4); den=conv(conv(conv(1,1,1,1),1,3,4),1,0,1); G=tf(num,den) %语句没有分号结尾，故将显示系统传递函数 Transfer function:5 s + 12 - s6 + 5 s5 + 12 s4 + 16 s3
