MATLAB上机实验.docx
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MATLAB上机实验.docx
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MATLAB上机实验
《Matlab与控制系统仿真》
实验指导书
机电工程学院机电教研室编
2010年7月20日
《Matlab与控制系统仿真》实验教学大纲
一、实验课程简介
MATLAB实验是为配合《Matlab与控制系统仿真》课程同步进行实验教学的需要而开设的,主要目的是加深学生掌握MATLAB的语法规则、基本数学问题计算与分析方法、以及控制系统设计与分析方法。
二、实验目的要求
通过上机实验使学生熟悉MATLAB运行环境和MATLAB语言的主要特点;掌握MATLAB语言的基本语法规则及基本操作命令的使用;掌握应用MATLAB实现二维和三维图形的绘制方法;熟练掌握用MATLAB的解决一些数值计算问题;熟练掌握运用MATLAB进行控制系统设计与分析。
三、考核方式
1.学生实验前须复习课堂内容,对实验内容进行认真准备,实验时必须签到
2.上机实验时每组学生(1人)使用相关设备一套,每次实验2课时
3.每次实验后提交实验报告
四、主要仪器设备及台(套)数
1.计算机1台/每人
2。
MATLAB软件/每机
五、实验计划
实验计划
序号
名称
内容
类型
学时
每组人数
1
基本数学运算
基本函数计算、多项式计算、基本曲线曲面绘制、微分、积分数值计算
操作
2
1
2
矩阵及线性方程计算
行列式计算、矩阵秩、特征向量、特征值、线性方程组、大型稀疏矩阵计算
操作
2
1
3
程序语言编程
条件分支、循环等语句编写、自定义函数编写
操作
2
1
4
MatlabGUI程序设计
5
Simulink与控制系统建模
操作
2
1
6
控制系统时域频域性能分析
操作
2
1
7
超前滞后及PID调节器设计
操作
2
1
8
大作业
操作
2
1
六、主要参考书目
[1]李海涛.MATLAB程序设计教程.北京.高等教育出版社,第一版
[2]张智星.MATLAB程序设计与应用.北京.清华大学出版社,第一版
实验
(一)基本数学运算
1、实验目的
掌握MATLAB基本语法规则、基本函数计算、多项式计算、简单函数编写、基本曲线曲面绘制、以及微分、积分方程数值计算
2、实验要求
(1)求
,并求
的方程根
(2)求函数
在范围
等间距点上的计算值,间距为0.05
(3)要求分别用1次曲线,2次曲线,3次曲线分别拟合题
(1)中描述的曲线,并绘制在同一图上,要求各拟合曲线颜色不同、点标志符号也不同,并求各多项式的根。
(4)绘制三维曲线
(5)分别使用surf、mesh、contour命令绘制曲面
。
3、实验报告
写出求解题
(1)、
(2)、(3)、(4)、(5)MATLAB命令,并给出计算结果图和计算结果(拟合多项式系数及根)。
\
实验
(二)矩阵、线性方程计算
1、实验目的
掌握MATLAB矩阵计算、矩阵数据输入、矩阵特征值计算、线性方程求解、大型稀疏方程组求解
2、实验要求
(1)已知
,求A*B,A+B,A-B,A/B,A\B值
(2)求题
(1)矩阵A的逆,特征向量、特征值。
(注意分别使用函数inv(),[UD]=eig())
(3)已知方程组
,其中A为题
(1)中矩阵,求该方程组
的解X。
(4)矩阵A为维数NxN的稀疏矩阵,它的各元素值为
,向量
,使用常规方法求N=200,500时方程组
的解。
使用大型稀疏方程组求解方法求N=200000方程组
的解。
3、实验报告
写出求解题
(1)、
(2)、(3)、(4)MATLB命令,并给出计算结果(数据量超过20时,用曲线表示)。
实验(三)脚本语言及函数编写
1、实验目的
掌握MATLAB脚本语言编写,if,for,while,break,continue等语句的使用、函数程序设计及程序调试方法。
2、实验要求
(1)已知
,编一程序求正弦函数级数值(取前10项),计算x=pi/4级数值与与理论值的误差。
(2)矩阵A为维数NxN的稀疏矩阵,它的各元素值为
,向量
,编写程序设置大型稀疏方程组的系数,并求N=200000方程组
的解。
(3)编写函数f(a,b,c)求一元二次方程的根,输入参数a,b,c为阶数为2的向量,表示复系数,如[12]表示1+2i,要求输出参数为1个2x2矩阵,2个列向量表示根。
.
(4)已知某控制系统对阶跃输入响应为
,绘制系统的响应图,并求系统的超调量,峰值时间,回复时间,上升时间,衰减比。
3、实验报告
写出题
(1)、
(2)、(3)、(4)的MATLAB求解程序及计算结果。
实验(四)GUI程序设计
1、实验目的
掌握MATLABGUI及回调程序设计。
2、实验要求
(1)
设计如图1所示界面
图1
要求可用点或钩选中函数,按PLOT按钮,在右边同时绘制选中曲线,没有选中的曲线则不需要绘制。
(2)设计如图2所示界面
图2
要求输入X,Y坐标点后,按APPEND按钮,在右上图绘制已输入点;按PLOFIT按钮后,用3次曲线拟合输入点,并在右上图绘制该曲线;按ROOT按钮后,在右下图绘3次多项式对应根(虚跟用Y坐标表示)。
3、实验报告
写出题
(1)、
(2)求解过程及相应程序。
实验(五)SimuLink与控制系统建模
1、实验目的
掌握利用Simulink进行复杂系统动态仿真计算、以及控制系统建模
2、实验要求
(1)求下列系统的动态响应,要求计算时间为15秒,等步长计算,并将计算结果绘制成曲线。
(2)将上述系统转化成子系统。
(3)已知直流电机控制系统模型为:
用状态方程建立系统求解模型,求系统的动态响应,要求计算时间为20秒,计算时间点为3000个。
3、实验报告
写出求解题
(1)、
(2)、(3)MATLB命令,并给出计算或分析结果,如果计算动态响应值,用曲线绘制计算结果。
实验(六)控制系统性能分析
1、实验目的
掌握控制系统模型建立函数tf(),zpk(),ss(),及控制系统零点极点求解函数zero(),pole()函数使用,以及根轨迹绘图函数rlocus(),Bode图函数bode(),Nyquist图绘制函数nyquist()的使用,控制系统设计工具ltiview,sisotool的使用。
2、实验要求
(1)建立下列图中的控制系统模型,求闭环系统的零点,极点。
(2)绘制上图中控制系统的开环传递函数根轨迹、伯德图。
(3)使用ltiview工具,在输入为阶跃函数时,从绘制图中读系统的稳态值、超调量、上升时间、回复时间。
.
(4)用SISOTOOL设计工具,在图中设计一个超前调节器,求输入为阶跃函数时,系统的回复时间及超调量,如果超调量小于20%,系统回复时间小于1秒,调节器参数是多少?
3、实验报告
写出题
(1)、
(2)、(3)、(4)的MATLAB求解程序(命令)及计算结果。
实验(七)图形方式下控制系统分析及调节器设计
1、实验目的
掌握simulink方式下控制系统分析、进一步掌握ltiview,sisotool的使用,以及超前调节器、PID调节器参数整定方法。
2、实验要求
(1)用simulink建立下列图中的控制系统模型,求闭环系统的零点,极点。
(2)绘制上图中控制系统的开环传递函数根轨迹、伯德图。
(3)输入为阶跃函数时,从绘制图中读系统的稳态值、超调量、上升时间、回复时间。
.
(4)在图中所示位置设计一个PID调节器,要求超调量小于20%,系统回复时间小于1秒;如果是设计超前调节器,调节器参数又是多少?
3、实验报告
写出题
(1)、
(2)、(3)、(4)的MATLAB求解程序(命令)及计算结果。
大作业
班级学号姓名
(1)
(2)将题
(1)中的计算结果表示成小数形式,然后去掉所有的0和小数点,得到一整数,设该数从左到右排列(最高位在前)的最前面5个数字(数字1到9中的某一位)为
,建立传递函数
表示的开环控制系统,绘制阶跃输入系统动态响应图;用simulink建立图1所示的分析模型,绘制阶跃输入时闭环系统动态响应图,从图中读出输出稳态值、超调量、回复时间。
图1
(3)绘制图1所示系统对应bode图、根轨迹图、nyquist图,写出对应matlab命令。
(4)使用sisotool工具求出图2所示系统的极限频率和极限增益(极限增益是指PID调节器只有比例放大环节时,增益从0开始增大,极点开始出现在虚轴上对应的增益,以及此时极点所对应的频率)。
(5)在图2中所示位置设计一个PID调节器,给出该PID调节器对应参数,并求出添加调节器后输入为阶跃输入时,输出的稳态值、超调量、回复时间。
图2
(6)求线性方程组
的解,其中
与题2中的
相同,写出求解该题的matlab命令,及计算结果。
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