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1、MATLAB与控制系统仿真实验指导书MATLAB与控制系统仿真实验指导书（2011年第一版）西安邮电学院自动化学院2011年6月目 录前言1MATLAB语言实验项目3实验一 熟悉MATLAB集成环境与基础运算3实验二 MATLAB的基本计算7实验三 MATLAB图形系统9实验四 MATLAB程序设计13实验五 MATLAB函数文件15实验六 MATLAB数据处理与多项式计算17实验七 SIMULINK仿真实验21前言MATLAB 产品家族是美国 MathWorks公司开发的用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境。是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美
2、国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。MATLAB由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在科学计算、建模仿真以及系统工程的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如
3、C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB软件工具在自动化专业、测控技术与仪器和电气工程及其自动化等专业的本科生学习中，经常用来计算、仿真和设计，尤其是MATLAB软件的仿真功能，能使学生对所学知识有更加深入的理解和分析。MATLAB与控制系统仿真课程，和自动控制原理、现代控制理论、数字信号处理、电力电子技术等重要的专业课程相互支撑、相辅相成，同时也有利于学生完成课程设计和毕业设计等实践教学环节。本实验指导书共设置了12个实验项目，分别从MATLAB工作环境熟悉、MATLAB的基本计算、MATLAB绘图功能、MATLAB基本程序设计、SIMULINK仿真
4、实验、滤波器设计及仿真、控制系统仿真及电力电子系统仿真等实验项目，通过选取的上机实验，可使学生更好的熟悉MATLAB软件的功能，掌握MATLAB程序设计的一般方法，培养学生的应用开发能力。每个实验2个小时左右，不同的专业可根据需求自行选择。实验注意事项1实验开始前，应先检查本组电脑设备是否工作正常，MATLAB软件工作是否正常。2实验时每位同学应独立完成实验任务，避免抄袭。3实验后应及时将实验数据进行记录与存盘，避免因电脑故障或其它原因造成实验数据的丢失。4测量数据或观察现象要认真细致，实事求是。5实验结束后，实验记录交指导教师查看并认为无误后，方可关掉电脑离开。 6自觉遵守学校和实验室管理的
5、其它有关规定。实验报告要求（包含预习报告要求和最终报告要求）每次实验后，应对实验进行总结，即实验数据进行整理，绘制波形和图表，分析实验现象，撰写实验报告。实验报告除写明实验名称、日期外，还包括： 1实验名称 2实验目的 3实验设备及条件 4实验内容及要求 5实验程序设计 程序代码 6实验结果及结果分析实验结果要求必须客观,有数据的可以记录数据，没有数据的简单描述实验现象。结果分析是对实验结果的理论评判。 7实验中出现的问题及解决方法 8实验的收获与体会 MATLAB语言实验项目实验一 熟悉MATLAB集成环境与基础运算一、实验目的1. 熟悉启动和退出MATLAB软件的方法、熟悉MATLAB软件
6、的运行环境。2. 熟悉MATLAB命令窗口的组成。3. 熟悉MATLAB的基本操作。4. 掌握建立矩阵的方法。5. 掌握MATLAB各种表达式的书写规则以及常用函数的使用。二、实验设备及条件 计算机一台（带有MATLAB6.5或以上版本的软件环境）。三、实验原理1MATLAB的启动 MATLAB系统的启动有三种常见方法：1）使用Windows“开始”菜单。2）运行MATLAB系统启动程序matlab.exe。3）利用快捷方式。2MATLAB系统的退出 要退出MATLAB系统，也有三种常见方法：1）在MATLAB主窗口File菜单中选择Exit matlab 命令。2）在MATLAB命令窗口输入
7、Exit或Quit命令。3）单击MATLAB主窗口的“关闭”按钮。3MATLAB帮助窗口进入帮助窗口可以通过以下三种方法：1） 单击MATLAB主窗口工具栏中的help按钮。2） 在命令窗口中输入helpwin、helpdesk或doc。3） 选择help菜单中的“matlab help”选项。 4MATLAB帮助命令 1）help命令在MATLAB命令窗口直接输入help命令将会显示当前帮助系统中所包含的所有项目，即搜索路径中所有的目录名称。同样，可以通过help加函数名来显示该函数的帮助说明。2）lookfor命令help命令只搜索出那些关键字完全匹配的结果，lookfor命令对搜索范围内
8、的m文件进行关键字搜索，条件比较宽松。3） 模糊查询用户只要输入命令的前几个字母，然后按tab键，系统就会列出所有以这几个字母开头的命令。5赋值语句1）变量表达式2）表达式6矩阵的建立1）直接输入法：将矩阵的元素用方括号括起来，按矩阵行的顺序输入各元素，同一行的各元素之间用空格或逗号分开，不同行的元素之间用分号分开。2）利用m文件建立矩阵3）利用冒号表达式建立一个向量 e1:e2:e34)利用linspace函数产生行向量 linspace(a,b,n). 四、实验内容1练习下面指令： cd, clear, help, who, whos, dir, path, save, load。2建立自
9、己的工作目录MYWORK和MYDATA，并将它们分别加到搜索路径的前面或者后面。3求的算术运算结果。 4先求下列表达式的值，然后显示MATLAB工作空间的使用情况并保存全部变量。 （1）（2）（3）（4）提示：用逻辑表达式求分段函数值。5利用MATLAB的帮助功能分别查询path、plot2d、min、round函数的功能和用法。6已知 求下列表达式的值：l A+6*B和A-B+I（其中I为单位矩阵）l A*B和A.*Bl A3和A.3l A/B及BAl A,B和A（1，3，：）；B27设有矩阵A和B（1） 求它们的乘积C；（2） 将矩阵C的右下角3*2子矩阵赋给D；（3） 察看MATLAB工
10、作空间的使用情况。8完成下列操作：（1）求100,999之间能被21整除的数的个数。提示：先利用冒号表达式，再利用find和length函数。（2）建立一个字符串向量，删除其中的大写字母。提示：利用find函数和空矩阵实验二 MATLAB的基本计算一、实验目的 1掌握建立矩阵的方法。2掌握MATLAB各种表达式的书写规则以及常用函数的使用。3能用MATLAB进行基本的数组、矩阵及符号运算。 4掌握矩阵分析的方法以及能用矩阵求逆法解线性方程组。二、实验设备及条件 计算机一台（带有MATLAB6.5或以上版本的软件环境）。 三、实验内容1利用diag等函数产生下列矩阵。 2利用reshape函数将
11、1题中的a和b变换成行向量。 3产生一个均匀分布在（-5，5）之间的随即矩阵（102），要求精确到小数点后一位。4已知： 求下列表达式的值：(1) 和（其中I为单位矩阵）(2) 和(3) 和(4) 和(5) 和5下面是一个线性方程组：(1)求方程的解。 (2)将方程右边向量元素改为0.53，再求解，并比较的变化和解的相对变化。6利用randn函数产生均值为0，方差为1的66正态分布随机矩阵C，然后统计C中大于-0.3，小于0.3的元素个数t。7建立一个矩阵A，找出矩阵中值大于1的元素，并将它们重新排列成行向量B，例如。8读以下程序，解释指令sprintf、fprintf、sscanf的作用？r
12、and(state,0);a=rand(2,2);s1=num2str(a)s_s=sprintf(%.10en,a)fprintf(%.5g,a)s_sscan=sscanf(s_s,%f,3,2)实验三 MATLAB图形系统一、实验目的1掌握绘制二维图形的常用函数。2掌握绘制三维图形的常用函数。3熟悉利用图形对象进行绘图操作的方法。4掌握绘制图形的辅助操作。二、实验仪器和设备计算机一台（带有MATLAB6.5或以上版本的软件环境）。三、实验原理1二维数据曲线图（1） 绘制单根二维曲线 plot(x,y);（2） 绘制多根二维曲线 plot(x,y) 当x是向量，y是有一维与x同维的矩阵时，
13、则绘制多根不同颜色的曲线。当x，y是同维矩阵时，则以x，y对应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。（3） 含有多个输入参数的plot函数 plot(x1,y1,x2,y2,xn,yn)（4） 具有两个纵坐标标度的图形 plotyy(x1,y1,x2,y2)2图形标注与坐标控制1）title (图形名称)；2）xlabel（x轴说明）3）ylabel（y轴说明）4）text（x，y图形说明）5）legend（图例1，图例2，）6）axis （xmin xmax ymin ymax zmin zmax）3图形窗口的分割subplot（m,n,p）4三维曲线plot3（x1,y1
14、,z1,选项1，x2,y2，选项2，,xn,yn,zn,选项n）5三维曲面mesh(x,y,z,c) 与surf(x,y,z,c)。一般情况下，x，y，z是维数相同的矩阵。X，y是网格坐标矩阵，z是网格点上的高度矩阵，c用于指定在不同高度下的颜色范围。6图像处理（1） imread和imwrite函数 这两个函数分别用于将图象文件读入MATLAB工作空间，以及将图象数据和色图数据一起写入一定格式的图象文件。（2） image和imagesc函数 这两个函数用于图象显示。为了保证图象的显示效果，一般还应使用colormap函数设置图象色图。四、预习要求1复习二维与三维图形的绘图函数。2复习图形辅助操作。五、实验内容及步骤1设，在x02区间取101点，绘制函数曲线。2已知y1=x2,y2=cos(2x),y3=y1*y2,完成下列操作：（1）在同一坐标系下用
