《MATLAB語言及其應(yīng)用》實驗報告

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1、 《MATLAB 語言及其應(yīng)用》實驗報告 實驗指導(dǎo)老師： 學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 班級：自動化 姓名： 學(xué)號： 學(xué)號： 《MATLAB 語言及其應(yīng)用》 實驗指導(dǎo) 目錄 實驗一 Matlab 使用方法和程序設(shè)計........................ 實驗二 控制系統(tǒng)的模型及其轉(zhuǎn)換............................. 實驗三 控制系統(tǒng)的時域、頻域和根軌跡分析........... 實驗四 動態(tài)仿真集成環(huán)境-Simulink..........

2、............... 實驗五 直流電機自動調(diào)速系統(tǒng)控制器設(shè)計 實驗一 Matlab使用方法和程序設(shè)計 一、 實驗?zāi)康? 1、掌握Matlab軟件使用的基本方法； 2、熟悉Matlab的數(shù)據(jù)表示、基本運算和程序控制語句 3、熟悉Matlab繪圖命令及基本繪圖控制 4、熟悉Matlab程序設(shè)計的基本方法 二、 實驗內(nèi)容： 1、幫助命令 使用help命令，查找 sqrt（開方）函數(shù)的使用方法； 2、矩陣運算 （1） 矩陣的乘法 已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 求A^2*B >> A=[1 2;3 4];

3、 >> B=[5 5;7 8]; >> C=A^2*B C = 105 115 229 251 （2） 矩陣除法 已知 A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3]; A\B,A/B >> A=[1 2 3;4 5 6;7 8 0]; >> B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3]; >> A\B,A/B ans = -1.7778 1.7778 -0.3333 1.5556 -1.5556 0.6667 -0.1111 0.4444 -0.3333

4、 ans = 1.0000 1.0000 1.0000 4.0000 2.5000 2.0000 7.0000 4.0000 0 （3） 矩陣的轉(zhuǎn)置及共軛轉(zhuǎn)置 已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i]; 求A.', A' >> A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i]; >> A.',A' ans = 5.0000 + 1.0000i 0 + 6.0000i 2.0000 - 1.0000i 4.0000 1.0000

5、 9.0000 - 1.0000i ans = 5.0000 - 1.0000i 0 - 6.0000i 2.0000 + 1.0000i 4.0000 1.0000 9.0000 + 1.0000i （4） 使用冒號表達式選出指定元素 已知： A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; 求A中第3列前2個元素；A中所有列第2，3行的元素； 方括號[] 用magic函數(shù)生成一個4階魔術(shù)矩陣，刪除該矩陣的第四列 >> A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; >> B=A(

6、1:2,3) B = 3 6 >> B1=A(2:3,:) B1 = 4 5 6 7 8 9 >> B1=A(2:3,:) B1 = 4 5 6 7 8 9 B(:,4)=[ ] B = 16 2 3 5 11 10 9 7

7、 6 4 14 15 3、多項式 （1）求多項式 的根 >> p=[1 0 -2 -4]; >> r=roots(p) r = 2.0000 -1.0000 + 1.0000i -1.0000 - 1.0000i （2）已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] ， 求矩陣A的特征多項式; 把矩陣A作為未知數(shù)代入到多項式中； >> A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1

8、2 3 4]; >> p=poly(A) p = 1.0000 -6.9000 -77.2600 -86.1300 604.5500 >> y=sym(A) y = [ 6/5, 3, 5, 9/10] [ 5, 17/10, 5, 6] [ 3, 9, 0, 1] [ 1, 2, 3, 4] 4、基本繪圖命令 （1）繪制余弦曲線 y=cos(t)，t∈[0，2π] （2）在同一坐標系中繪制余弦曲線y=cos(t-0.25)和正弦曲線y=sin(t-0.5)，t∈[0，2π] >> t=0:

9、0.01:2*pi; >> y=cos(t); >> plot(t,y); >> title('余弦函數(shù)y=cos(t)'); >> x=0:0.01:2*pi; y=cos(x-0.25); plot(x,y) hold on y=sin(x-0.5); plot(x,y) >> title('y=cos(t-0.25),y=sin(t-0.5)') 5、基本繪圖控制 繪制[0，4π]區(qū)間上的x1=10sint曲線，并要求： （1）線形為點劃線、顏色為紅色、數(shù)據(jù)點標記為加號； （2）坐標軸控制：顯示范圍、刻度線、比例、網(wǎng)絡(luò)線 （3）標注控制：坐標軸名稱、標題

10、、相應(yīng)文本； >> t=0:0.01:4*pi; >> x1=10*sin(t); >> plot(t,x1,'-.r+'); >> xlabel('X'); >> ylabel('Y'); >> grid on >> title('x1=10sin(t)') >> legend('y',4) 6、基本程序設(shè)計 （1）編寫命令文件：計算1+2+…+n<2000 時的最大n值； >> s=0;n=0; >> while s<2000; s=s+n; n=n+1; end >> mn=n-1 mn = 63 （2）編寫函數(shù)文件：分別用for和whi

11、le循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序，求2的0到n次冪的和。 For循環(huán) function [y]=miqiuhe (n) y=0; x=0; for (i=0:n) x=2^i; y=y+x; end end >> y=miqiuhe(4) y = 31 While循環(huán) function y =midehe(n) y=0; x=0; i=0; while i<=n x=2^i; y=y+x; i=i+1; end end >> y=miqiuhe(4) y = 31 （3）如果想對一個變量x自動

12、賦值。當從鍵盤輸入y或Y時（表示是），x自動賦為1； 當從鍵盤輸入n或N時（表示否），x自動賦為0；輸入其他字符時終止程序。 str=input('輸入字符：','s') ; 輸入字符：y >> if str=='y'||str=='Y',x=1; elseif str=='n'||str=='N',x=0; else error('終止程序') ;end ,x x = 1 str=input('輸入字符：','s') ; 輸入字符：n >> if str=='y'||str=='Y',x=1; elseif str=='n'||str=='N',x=0;

13、 else error('終止程序') ;end ,x x = 0 str=input('輸入字符：','s') ; 輸入字符：c >> if str=='y'||str=='Y',x=1; elseif str=='n'||str=='N',x=0; else error('終止程序') ;end ,x ???終止程序 實驗二 控制系統(tǒng)的模型及其轉(zhuǎn)換 一、 實驗?zāi)康? 1、掌握建立控制系統(tǒng)模型的函數(shù)及方法； 2、掌握控制系統(tǒng)模型間的轉(zhuǎn)換方法及相關(guān)函數(shù)； 3、熟悉控制系統(tǒng)模型的連接方法； 4、掌握典型系統(tǒng)模型的生成方法。 二、 實驗內(nèi)容：

14、 1. 控制系統(tǒng)模型 1.1 系統(tǒng)的模型為 試建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。 >> s=tf('s');G=4*(s+2)*(s^2+6*s+6)/s/(s+1)^3/(s^3+3*s^2+2*s+5) Transfer function: 4 s^3 + 32 s^2 + 72 s + 48 ----------------------------------------------------- s^7 + 6 s^6 + 14 s^5 + 21 s^4 + 24 s^3 + 17 s^2 + 5 s 1.2 已知單輸入雙輸出系統(tǒng)的零極點模型

15、 建立系統(tǒng)的零極點模型。 >> s=zpk('s'); >> g=[3*(s+12);4*(s+5)*(s+3)]/((s+3)*(s+4)*(s+5)) Zero/pole/gain from input to output... 3 (s+12) #1: ----------------- (s+3) (s+4) (s+5) 4 (s+5) (s+3) #2: ----------------- (s+3) (s+4) (s+5) 1.3 給定系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式，

16、 建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。 >> a=[-2.8,-1.4,0,0;1.4,0,0,0;-1.8,-0.3,-0.4,-0.6;0,0,0.6,0]; >> b=[1;0;1;0]; >> c=[0,0,0,1];d=zeros(1,1);g=ss(a,b,c,d) a = x1 x2 x3 x4 x1 -2.8 -1.4 0 0 x2 1.4 0 0 0 x3 -1.8 -0.3 -0.4 -0.6 x4 0 0 0

17、.6 0 b = u1 x1 1 x2 0 x3 1 x4 0 c = x1 x2 x3 x4 y1 0 0 0 1 d = u1 y1 0 Continuous-time model. 2. 控制系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換 2.1 將1.1的模型轉(zhuǎn)換為零極點模型 >> s=zpk('s'); >> g=4*(s+2)*(s^2+6*s+6)/s/(s+1)^3/(s^3+3*s+2*s+5) Zero/pole/gain:

18、 4 (s+2) (s+1.268) (s+4.732) -------------------------------------------- s (s+1)^3 (s+0.8688) (s^2 - 0.8688s + 5.755) 2.2 將1.2的模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型 >> s=zpk('s'); >> g=3*(s+12);4*(s+5)*(s+3)/(s+3)*(s+4)*(s+5); >> G=ss(g) a = x1 x2 x1 1 -12 x2 0 1 b = u1

19、 x1 0 x2 -2 c = x1 x2 y1 1.5 0 d = u1 y1 0 e = x1 x2 x1 0 1 x2 0 0 Continuous-time model. 2.3 將1.3 的模型轉(zhuǎn)換為零極點模型 >> a=[-2.8,-1.4,0,0;1.4,0,0,0;-1.8,-0.3,-0.4,-0.6;0,0,0.6,0]; >> c=[0,0,0,1];d=zeros(1,1); >> b=[1;0;1;0];c=[0

20、,0,0,1];d=zeros(1,1);g=ss(a,b,c,d); >> g1=zpk(g) Zero/pole/gain: 0.6 (s^2 + s + 1.54) ----------------------------- (s+1.4)^2 (s^2 + 0.4s + 0.36) 3. 控制系統(tǒng)模型的連接: 已知兩個系統(tǒng) 求按串聯(lián)、并聯(lián)、系統(tǒng)2聯(lián)接在反饋通道時的負反饋系統(tǒng)的狀態(tài)方程。 >> A1=[0,1;1,-2]; >> b1=[1;1]; >> c1=[1,3

21、]; >> d1=[0]; >> G=ss(A1,b1,c1,d1); >> a2=[0,1;-1,-3]; >> b2=[0;1]; >> c2=[1 4]; >> d2=[0]; >> g2=ss(a2,b2,c2,d2); >> g3=g2*g1 a = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 0 1 0 0 0

22、 0 x2 -1 -3 0.5763 0.3262 0.6 0 x3 0 0 -0.2 1 0 0 x4 0 0 -0.32 -0.2 1.104 0 x5 0 0

23、 0 0 -1.4 1 x6 0 0 0 0 -3.109e-016 -1.4 b = u1 x1 0 x2 0 x3 0 x4 0 x5 0 x6 1 c = x1 x2 x3 x4 x5 x6 y1 1 4 0 0 0 0 d =

24、 u1 y1 0 Continuous-time model. >> g4=g1+g2 a = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 -0.2 1 0 0 0 0 x2 -0.32 -0.2 1.104 0 0

25、 0 x3 0 0 -1.4 1 0 0 x4 0 0 -3.109e-016 -1.4 0 0 x5 0 0 0 0 0 1 x6 0 0

26、 0 0 -1 -3 b = u1 x1 0 x2 0 x3 0 x4 1 x5 0 x6 1 c = x1 x2 x3 x4 x5 x6 y1 0.5763 0.3262 0.6 0 1 4 d = u1 y1 0 Continuous-time mod

27、el. >> g5=feedback(g1,g2) a = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 -0.2 1 0 0 0 0 x2 -0.32 -0.2 1.104 0 0 0 x3

28、 0 0 -1.4 1 0 0 x4 0 0 -3.109e-016 -1.4 -1 -4 x5 0 0 0 0 0 1 x6 0.5763 0.3262 0.6

29、0 -1 -3 b = u1 x1 0 x2 0 x3 0 x4 1 x5 0 x6 0 c = x1 x2 x3 x4 x5 x6 y1 0.5763 0.3262 0.6 0 0 0 d = u1 y1 0 Continuous-time model. 4、典型系統(tǒng)的生成： 4 典型二階

30、系統(tǒng) 試建立 時的系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。 >>w=6; >> e=0.1; >> h=w^2/(s^2+2*e*w*s+w^2) Transfer function: 36 ---------------- s^2 + 1.2 s + 36 5、連續(xù)系統(tǒng)的離散化： 對連續(xù)系統(tǒng) 在采樣周期 T=0.1 時進行離散化。 s=tf('s'); >> g=6*(s+3)/(s+1)/(s+2)/(s+5); >> t=0.1; >> gd=c2d(g,t) Transfer

31、function: 0.02552 z^2 + 0.002704 z - 0.01601 ---------------------------------- z^3 - 2.33 z^2 + 1.786 z - 0.4493 Sampling time: 0.1 實驗三 控制系統(tǒng)的時域、頻域和根軌跡分析 一、 實驗?zāi)康? 1、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的時域分析 2、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的頻域分析 3、掌握如何使用Matlab進行系統(tǒng)的根軌跡分析 二、 實驗內(nèi)容： 1、時域分析 1.1、某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 試編程求系統(tǒng)

32、在單位負反饋下的階躍響應(yīng)曲線，并求最大超調(diào)量。 >> s=tf('s'); >> g=20/(s^4+8*s^3+36*s^2+40*s); >> g1=feedback(g,1);step(g1) 1.2、典型二階系統(tǒng) 編程求：當 分別取值為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0時的單位階躍響應(yīng)曲線。 wn=6; s=tf('s'); figure; for z=0.2:0.2:1.0 g=wn^2/(s^2+2*z*wn*s+wn^2) step(g) hold on end for

33、z=1.0:0.5:2.0 g=wn^2/(s^2+2*z*wn*s+wn^2) step(g) hold on end 1.3、典型二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 繪制當：分別取2、4、6、8、10、12時的單位階躍響應(yīng)曲線。 z=0.7 s=tf('s') figure; for wn=2.0:2.0:12.0 g=wn^2/(s^2+2*z*wn*s+wn^2) step(g) hold on end 2、根軌跡分析 根據(jù)下面負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，繪制系統(tǒng)根軌跡，并分析使系統(tǒng)

34、穩(wěn)定的K值范圍。 s=tf('s') g=1/s*(s+1)*(s+3) rlocus(g),grid 3、頻域分析 典型二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 3.1 繪制當：取2、4、6、8、10、12時的伯德圖 z=0.7 s=tf('s') bode(g) for wn=2.0:2.0:12.0 g=wn^2/(s^2+2*z*wn*s+wn^2) hold on end 3．2 繪制當：分別取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0時的伯德圖。 w

35、n=6; s=tf('s'); bode(g); for z=0.2:0.2:1.0 g=wn^2/(s^2+2*z*wn*s+wn^2) hold on end for z=1.0:0.5:2.0 g=wn^2/(s^2+2*z*wn*s+wn^2) hold on end 實驗四 動態(tài)仿真集成環(huán)境—Simulink 一、 實驗?zāi)康? 1、熟悉Simulink模塊庫中常用標準模塊的功能及其應(yīng)用； 2、掌握利用Simulink在用戶窗口中建立控制系統(tǒng)仿真模型的方法； 3、掌握模塊參數(shù)和仿真參數(shù)的設(shè)置以及建立子系統(tǒng)的

36、方法。 二、 實驗內(nèi)容 1. 用Simulink對以下系統(tǒng)進行仿真 其中u(t)為系統(tǒng)輸入，y(t)為系統(tǒng)輸出，仿真當輸入為正弦信號時，輸出的信號的波形，仿真時 間 0< t < 100 。 Simulink仿真圖 波形圖： >>plot(tout,yout) 2. 在滑艇的運行過程中，滑艇主要受到如下作用力的控制：滑艇自身的牽引力F，滑艇受到的水的阻力 。其中水的阻力 ， 為滑艇的運動速度。由運動學(xué)的相關(guān)定理可知，整個滑艇系統(tǒng)的動力學(xué)方程為： 其中，m為滑艇的質(zhì)量。假設(shè)滑艇的質(zhì)量為1000kg，建立此系統(tǒng)的Simulink模型并進行分析。 Simulink仿真圖 波形圖： >>plot(tout,yout) 3． 輸入教材中 P198 中例題5-2 并作仿真。 Simulink仿真圖 波形圖： >>plot(tout,yout) >> plot3(yout(:,1),yout(:,2),yout(:,3)),grid