與控制系統(tǒng)仿真實驗指導

1、.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實驗指導書（2011年第一版）西安郵電學院自動化學院2011年6月*;目 錄前言1MATLAB語言實驗項目3實驗一 熟悉MATLAB集成環(huán)境與基礎運算3實驗二 MATLAB的基本計算7實驗三 MATLAB圖形系統(tǒng)9實驗四 MATLAB程序設計13實驗五 MATLAB函數(shù)文件15實驗六 MATLAB數(shù)據處理與多項式計算17實驗七 SIMULINK仿真實驗21前言MATLAB 產品家族是美國 MathWorks公司開發(fā)的用于概念設計、算法開發(fā)、建模仿真、實時實現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的

2、商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據可視化、數(shù)據分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和SIMULINK兩大部分。MATLAB由于其完整的專業(yè)體系和先進的設計開發(fā)思路，使得 MATLAB 在多種領域都有廣闊的應用空間，特別是在科學計算、建模仿真以及系統(tǒng)工程的設計開發(fā)上已經成為行業(yè)內的首選設計工具，它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式

3、，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB軟件工具在自動化專業(yè)、測控技術與儀器和電氣工程及其自動化等專業(yè)的本科生學習中，經常用來計算、仿真和設計，尤其是MATLAB軟件的仿真功能，能使學生對所學知識有更加深入的理解和分析。MATLAB與控制系統(tǒng)仿真課程，和自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、數(shù)字信號處理、電力電子技術等重要的專業(yè)課程相互支撐、相輔相成，同時也有利于學生完成課程設計和畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)。本實驗指導書共設置了12個實驗項目，分別從MATLAB工作環(huán)境熟悉、MATLAB的基本計算、MATLAB繪圖功能、MATLAB基本程序設計、SIMULINK仿真實驗、濾波器設計及仿真、控制系

4、統(tǒng)仿真及電力電子系統(tǒng)仿真等實驗項目，通過選取的上機實驗，可使學生更好的熟悉MATLAB軟件的功能，掌握MATLAB程序設計的一般方法，培養(yǎng)學生的應用開發(fā)能力。每個實驗2個小時左右，不同的專業(yè)可根據需求自行選擇。實驗注意事項1實驗開始前，應先檢查本組電腦設備是否工作正常，MATLAB軟件工作是否正常。2實驗時每位同學應獨立完成實驗任務，避免抄襲。3實驗后應及時將實驗數(shù)據進行記錄與存盤，避免因電腦故障或其它原因造成實驗數(shù)據的丟失。4測量數(shù)據或觀察現(xiàn)象要認真細致，實事求是。5實驗結束后，實驗記錄交指導教師查看并認為無誤后，方可關掉電腦離開。 6自覺遵守學校和實驗室管理的其它有關規(guī)定。實驗報告要求（包

5、含預習報告要求和最終報告要求）每次實驗后，應對實驗進行總結，即實驗數(shù)據進行整理，繪制波形和圖表，分析實驗現(xiàn)象，撰寫實驗報告。實驗報告除寫明實驗名稱、日期外，還包括： 1實驗名稱 2實驗目的 3實驗設備及條件 4實驗內容及要求 5實驗程序設計 程序代碼 6實驗結果及結果分析實驗結果要求必須客觀,有數(shù)據的可以記錄數(shù)據，沒有數(shù)據的簡單描述實驗現(xiàn)象。結果分析是對實驗結果的理論評判。 7實驗中出現(xiàn)的問題及解決方法 8實驗的收獲與體會 MATLAB語言實驗項目實驗一 熟悉MATLAB集成環(huán)境與基礎運算一、實驗目的1. 熟悉啟動和退出MATLAB軟件的方法、熟悉MATLAB軟件的運行環(huán)境。2. 熟悉MATL

6、AB命令窗口的組成。3. 熟悉MATLAB的基本操作。4. 掌握建立矩陣的方法。5. 掌握MATLAB各種表達式的書寫規(guī)則以及常用函數(shù)的使用。二、實驗設備及條件 計算機一臺（帶有MATLAB6.5或以上版本的軟件環(huán)境）。三、實驗原理1MATLAB的啟動 MATLAB系統(tǒng)的啟動有三種常見方法：1）使用Windows“開始”菜單。2）運行MATLAB系統(tǒng)啟動程序matlab.exe。3）利用快捷方式。2MATLAB系統(tǒng)的退出 要退出MATLAB系統(tǒng)，也有三種常見方法：1）在MATLAB主窗口File菜單中選擇Exit matlab 命令。2）在MATLAB命令窗口輸入Exit或Quit命令。3）單

7、擊MATLAB主窗口的“關閉”按鈕。3MATLAB幫助窗口進入幫助窗口可以通過以下三種方法：1） 單擊MATLAB主窗口工具欄中的help按鈕。2） 在命令窗口中輸入helpwin、helpdesk或doc。3） 選擇help菜單中的“matlab help”選項。 4MATLAB幫助命令 1）help命令在MATLAB命令窗口直接輸入help命令將會顯示當前幫助系統(tǒng)中所包含的所有項目，即搜索路徑中所有的目錄名稱。同樣，可以通過help加函數(shù)名來顯示該函數(shù)的幫助說明。2）lookfor命令help命令只搜索出那些關鍵字完全匹配的結果，lookfor命令對搜索范圍內的m文件進行關鍵字搜索，條件比

8、較寬松。3） 模糊查詢用戶只要輸入命令的前幾個字母，然后按tab鍵，系統(tǒng)就會列出所有以這幾個字母開頭的命令。5賦值語句1）變量表達式2）表達式6矩陣的建立1）直接輸入法：將矩陣的元素用方括號括起來，按矩陣行的順序輸入各元素，同一行的各元素之間用空格或逗號分開，不同行的元素之間用分號分開。2）利用m文件建立矩陣3）利用冒號表達式建立一個向量 e1:e2:e34)利用linspace函數(shù)產生行向量 linspace(a,b,n). 四、實驗內容1練習下面指令： cd, clear, help, who, whos, dir, path, save, load。2建立自己的工作目錄MYWORK和MY

9、DATA，并將它們分別加到搜索路徑的前面或者后面。3求的算術運算結果。 4先求下列表達式的值，然后顯示MATLAB工作空間的使用情況并保存全部變量。 （1）（2）（3）（4）提示：用邏輯表達式求分段函數(shù)值。5利用MATLAB的幫助功能分別查詢path、plot2d、min、round函數(shù)的功能和用法。6已知 求下列表達式的值：l A+6*B和A-B+I（其中I為單位矩陣）l A*B和A.*Bl A3和A.3l A/B及BAl A,B和A（1，3，：）；B27設有矩陣A和B（1） 求它們的乘積C；（2） 將矩陣C的右下角3*2子矩陣賦給D；（3） 察看MATLAB工作空間的使用情況。8完成下列操

10、作：（1）求100,999之間能被21整除的數(shù)的個數(shù)。提示：先利用冒號表達式，再利用find和length函數(shù)。（2）建立一個字符串向量，刪除其中的大寫字母。提示：利用find函數(shù)和空矩陣實驗二 MATLAB的基本計算一、實驗目的 1掌握建立矩陣的方法。2掌握MATLAB各種表達式的書寫規(guī)則以及常用函數(shù)的使用。3能用MATLAB進行基本的數(shù)組、矩陣及符號運算。 4掌握矩陣分析的方法以及能用矩陣求逆法解線性方程組。二、實驗設備及條件 計算機一臺（帶有MATLAB6.5或以上版本的軟件環(huán)境）。 三、實驗內容1利用diag等函數(shù)產生下列矩陣。 2利用reshape函數(shù)將1題中的a和b變換成行向量。

11、3產生一個均勻分布在（-5，5）之間的隨即矩陣（10×2），要求精確到小數(shù)點后一位。4已知： 求下列表達式的值：(1) 和（其中I為單位矩陣）(2) 和(3) 和(4) 和(5) 和5下面是一個線性方程組：(1)求方程的解。 (2)將方程右邊向量元素改為0.53，再求解，并比較的變化和解的相對變化。6利用randn函數(shù)產生均值為0，方差為1的6×6正態(tài)分布隨機矩陣C，然后統(tǒng)計C中大于-0.3，小于0.3的元素個數(shù)t。7建立一個矩陣A，找出矩陣中值大于1的元素，并將它們重新排列成行向量B，例如。8讀以下程序，解釋指令sprintf、fprintf、sscanf的作用？rand

12、('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)實驗三 MATLAB圖形系統(tǒng)一、實驗目的1掌握繪制二維圖形的常用函數(shù)。2掌握繪制三維圖形的常用函數(shù)。3熟悉利用圖形對象進行繪圖操作的方法。4掌握繪制圖形的輔助操作。二、實驗儀器和設備計算機一臺（帶有MATLAB6.5或以上版本的軟件環(huán)境）。三、實驗原理1二維數(shù)據曲線圖（1） 繪制單根二維曲線 plot(x,y);（2） 繪制

13、多根二維曲線 plot(x,y) 當x是向量，y是有一維與x同維的矩陣時，則繪制多根不同顏色的曲線。當x，y是同維矩陣時，則以x，y對應列元素為橫、縱坐標分別繪制曲線，曲線條數(shù)等于矩陣的列數(shù)。（3） 含有多個輸入參數(shù)的plot函數(shù) plot(x1,y1,x2,y2,xn,yn)（4） 具有兩個縱坐標標度的圖形 plotyy(x1,y1,x2,y2)2圖形標注與坐標控制1）title (圖形名稱)；2）xlabel（x軸說明）3）ylabel（y軸說明）4）text（x，y圖形說明）5）legend（圖例1，圖例2，）6）axis （xmin xmax ymin ymax zmin zmax）3

14、圖形窗口的分割subplot（m,n,p）4三維曲線plot3（x1,y1,z1,選項1，x2,y2，選項2，,xn,yn,zn,選項n）5三維曲面mesh(x,y,z,c) 與surf(x,y,z,c)。一般情況下，x，y，z是維數(shù)相同的矩陣。X，y是網格坐標矩陣，z是網格點上的高度矩陣，c用于指定在不同高度下的顏色范圍。6圖像處理（1） imread和imwrite函數(shù) 這兩個函數(shù)分別用于將圖象文件讀入MATLAB工作空間，以及將圖象數(shù)據和色圖數(shù)據一起寫入一定格式的圖象文件。（2） image和imagesc函數(shù) 這兩個函數(shù)用于圖象顯示。為了保證圖象的顯示效果，一般還應使用colormap

15、函數(shù)設置圖象色圖。四、預習要求1復習二維與三維圖形的繪圖函數(shù)。2復習圖形輔助操作。五、實驗內容及步驟1設，在x02區(qū)間取101點，繪制函數(shù)曲線。2已知y1=x2,y2=cos(2x),y3=y1*y2,完成下列操作：（1）在同一坐標系下用不同的顏色和線型繪制三條曲線；（2）分別用條形圖、階梯圖、桿圖和填充圖繪制三條曲線。3已知在5<=x<=5區(qū)間繪制函數(shù)曲線。4繪制函數(shù)的曲面圖和等高線其中x的21個值均勻分布在-5,5范圍，y的31個值均勻分布在0,10，要求使用subplot（2，1，1）和subplot（2，1，2）將產生的曲面圖和登高圖畫在同一個窗口上。5將圖形窗口分成兩格，

16、分別繪制正割和余割函數(shù)曲線，并加上適當?shù)臉俗?。要求?）必須畫出0到，即一個周期的曲線。 2）正割曲線為紅色點劃線輸出，余割曲線為藍色實線輸出。 3）圖形上面表明正割和余割公式，橫軸標x，縱軸標y。 4）將圖形窗口分成兩格，正割在上，余割在下。6繪制極坐標曲線，并分析參數(shù)對曲線形狀的影響。7將圖形窗口分成兩個窗格，分別繪制出函數(shù)： 在0,3區(qū)間上的曲線，并利用axis調整軸刻度縱坐標刻度，使在0,12區(qū)間上，在-2,1.5區(qū)間上。8畫出函數(shù) 的曲面及等高線圖。9綜合實例中，還有一種最常用的電力系統(tǒng)無源濾波器單調諧濾波器，其阻抗表達式為：式中，為次諧波角頻率，為基波角頻率。當設，在0.5，25取

17、值時，單調諧濾波器的阻抗與諧波次數(shù)的曲線如圖3-4所示，試編寫程序完成曲線的畫?。ㄗ⒁鈭D中各個地方的標注均用程序實現(xiàn)）。10用曲面圖表現(xiàn)函數(shù),和的范圍從-4到4，設置當前圖形的顏色板從黑色到暗紅、洋紅、黃色、白色的平滑變化，打開網格。11根據繪制平面曲線，并分析參數(shù)對其形狀的影響。實驗四 MATLAB程序設計一、實驗目的1掌握利用if語句實現(xiàn)選擇結構的方法。2掌握利用switch語句實現(xiàn)多分支選擇結構的方法。3掌握利用for語句實現(xiàn)循環(huán)結構的方法。4掌握利用while語句實現(xiàn)循環(huán)結構的方法。二、實驗設備及條件 計算機一臺（帶有MATLAB6.5或以上版本的軟件環(huán)境）。 三、實驗內容1編寫求解方

18、程的根的函數(shù)（這個方程不一定為一元二次方程，因的不同取值而定），這里應根據的不同取值分別處理，有輸入參數(shù)提示，當時應提示“為恒不等式!”。并輸入幾組典型值加以檢驗。2輸入一個百分制成績，要求輸出成績等級A+、A、B、C、D、E。其中100分為A+，90分99分為A，80分89分為B，70分79分為C，60分69分為D，60分以下為E。要求：（1）用switch語句實現(xiàn)。 （2）輸入百分制成績后要判斷該成績的合理性，對不合理的成績應輸出出錯信息。3. 利用for循環(huán)語句編寫計算n!的函數(shù)程序，取n分別為-89、0、3、5、10驗證其正確性(輸入n為負數(shù)時輸出出錯信息)。4 Fibonacci數(shù)組

19、的元素滿足Fibonacci規(guī)則： ，；且?，F(xiàn)要求該數(shù)組中第一個大于10000的元素。5根據，求的近似值。當n分別取100、1000、10000時，結果是多少？6. 有一分數(shù)序列： 編寫一段程序，求前16項的和。 7已知：求中：（1）最大值、最小值、各數(shù)之和；（2）正數(shù)、零、負數(shù)的個數(shù)。8. 建立5×6矩陣，要求輸出矩陣第n行元素，當n值超過矩陣的行數(shù)時，自動轉為輸出矩陣最后一行元素，并給出出錯信息。9根據，求的近似值。當n分別取100，1000，10000時，結果是多少？實驗五 MATLAB函數(shù)文件一、實驗目的1理解函數(shù)文件的概念；2掌握定義和調用MATLAB函數(shù)的方法。二、實驗儀

20、器和設備計算機一臺（帶有MATLAB6.5或以上版本的軟件環(huán)境）。三、實驗原理1函數(shù)文件的定義： 函數(shù)文件是另一種形式的m文件，每一個函數(shù)文件都定義一個函數(shù)，事實上，MATLAB提供的標準函數(shù)大部分都是由函數(shù)文件定義的。2函數(shù)文件的基本結構函數(shù)文件由function語句引導，其基本結構為：Function 輸出形參表函數(shù)名（輸入形參表）注釋說明部分函數(shù)體語句 其中以function開頭的一行為引導行，表示該m文件是一個函數(shù)文件。3函數(shù)調用 函數(shù)文件編制好之歐，就可以調用函數(shù)進行計算了，函數(shù)調用的一般格式是：輸出實參表函數(shù)名（輸入實參表）四、預習要求1復習函數(shù)的定義與編寫原則。2復習函數(shù)的調用。

21、 五、實驗內容1一個自然數(shù)是素數(shù)，且它的數(shù)字位置經過任意對換后仍為素數(shù)，則稱為絕對素數(shù)。例如13是絕對素數(shù)。試求所有的兩位絕對素數(shù)。要求：定義一個判斷素數(shù)的函數(shù)文件。2已知（1）當時，求y值；（2）當時，求y值。實驗六 MATLAB數(shù)據處理與多項式計算一、實驗目的1掌握數(shù)據統(tǒng)計和分析的方法；2掌握數(shù)值插值與曲線擬合的方法；3掌握多項式計算的常用運算。二、實驗儀器和設備計算機一臺（帶有MATLAB6.5或以上版本的軟件環(huán)境）。三、實驗原理1數(shù)據統(tǒng)計處理1）最大值與最小值(a) 求向量的最大值與最小值 y=max(X) 與 y,I=max(X)(b) 求矩陣的最大值和最小值 max(A) 與 Y,

22、U=max(A), max(A,dim)2）求和與求積 sum(X), prod(X) sum(A)3）標準方差與相關系數(shù) a）Y=std(A,flag,dim) b) corrcoef(X)2數(shù)據差值 a) 一維數(shù)據差值 Y1=interp1(X,Y,X1,method)b) 二維數(shù)據差值 Z1=interp2(X,Y,Z,X1,Y1,method)3曲線擬合 P,S=polyfit(X,Y,m)4多項式計算1）多項式的加減計算2）多項式乘法運算 Y=conv(P1,P2)3) 多項式除法 Q,r=deconv(P1,P2)4) 多項式的導函數(shù) p=polyder(P): 求多項式P的導函數(shù)

23、 p=polyder(P,Q): 求P.Q的導函數(shù)p,q=polyder(P,Q):求 P/Q的導函數(shù)，導函數(shù)的分子存入p，分母存入q。5多項式求值1) 代數(shù)多項式求值 Y=polyval(P,x)2) 矩陣多項式求值 polyvalm6多項式求根 x=roots(P)四、預習要求1復習MATLAB多項式數(shù)值分析函數(shù)。2復習MATLAB曲線擬合與多項式計算函數(shù)。 五、實驗內容及步驟1利用MATLAB提供的rand函數(shù)生成30，000個符合均勻分布的隨機數(shù)，然后檢驗隨機數(shù)的性質：（1） 均值和標準方差；（2） 最大元素與最小元素；大于0.5的隨機數(shù)個數(shù)占總數(shù)額百分比。2將100個學生5門功課的成績存入矩陣P中，進行如下處理：（1）分別求每門課的最高分、最低分及相應學生序號；（2）分別求每門課的平均分和標準方差；（3）5門課總分的最高分、最低分及相應學生序號；（4）將5門課總分按照從大到小的順序存入zcj中，相應學生序號存入xsxh。提示：上機調試時，為避免輸入學生成績的麻煩，可用取值范圍在45，95之間的隨機矩陣來表示學生成績。3已知lgx在1,101區(qū)間10個整數(shù)采樣點的函數(shù)值如下表所示：X1112131415161718191101l