控制系统仿真与工具实验指导书 matlab.docx
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控制系统仿真与工具实验指导书matlab
控制系统仿真与工具
实验指导书
商志根
电气工程学院
2010-3-12
目录
实验一熟悉MATLAB语言工作环境和特点1
实验二图形绘制与修饰4
实验三系统的时间响应分析8
实验四系统的时间响应分析12
实验五SIMULINK仿真基础14
实验一熟悉MATLAB语言工作环境和特点
一、实验目的
通过实验使学生熟悉MATLAB语言的工作环境,并了解MATLAB语言的特点,掌握其基本语法。
二、实验设备
PC机MATLAB应用软件
三、实验内容
本实验从入门开始,使学生熟悉MATLAB的工作环境,包括命令窗、图形窗和文字编辑器、工作空间的使用等。
1、命令窗
(1)数据的输入
打开MATLAB后进入的是MATLAB的命令窗,命令窗是用户与MATLAB做人机对话的主要环境。
其操作提示符为“》”。
在此提示下可输入各种命令并显示出相应的结果,如键入:
x1=sqrt(5),x2=1.35,y=3/x2
显示结果为:
x1=2.2361
x2=1.3500
y=2.2222
上命令行中两式之间用逗号表示显示结果,若用分号,则只运行而不用显示运行结果。
如键入A=[1,2,3;4,5,6;7,8,9],则显示为
说明:
●直接输入矩阵时,矩阵元素用空格或逗号分隔,矩阵行用分号相隔,整个矩阵放在方括号中。
注意:
标点符号一定要在英文状态下输入。
●在MATLAB中,不必事先对矩阵维数做任何说明,存储时自动配置。
●指令执行后,A被保存在工作空间中,以备后用。
除非用户用clear指令清除它,或对它重新赋值。
●MATLAB对大小写敏感。
(2)数据的显示
在MATLAB工作空间中显示数值结果时,遵循一定的规则,在缺省的情况下,当结果是整数,MATLAB将它作为整数显示;当结果是实数,MATLAB以小数点后4位的精度近似显示。
如果结果中的有效数字超出了这一范围,MATLAB以类似于计算器的计算方法来显示结果。
也可通过键入适当的MATLAB命令来选择数值格式来取代缺省格式。
如键入formatbank命令(数据格式显示命令,数据小数部分以两个十进制小数表示),若在前面键入的三个表达式前键入上述格式命令,则显示结果为:
x1=2.24
x2=1.35
y=2.22
前面显示的结果为默认显示结果,它的小数部分为四位数,还有formatcompact它以紧凑格式显示结果,默认显示方式为稀疏格式。
其它数据格式显示命令分别为:
formatshort缺省格式
formatlong16位
formatshorte5位加指数
formatlonge16为加指数
formathex十六进制
formatrat有理数近似
format+正、负或零
(3)参数命令调用
若在命令窗口输入help,则在屏幕上显示系统中已装入的函数库的名称,显示结果为:
若输入help+子目录名(如elfun),则显示其对应子目录的各函数名;
若输入help+函数名,则得到具体函数的意义和用法。
部分命令调用如下:
who:
显示当前工作空间所有变量的一个简单列表
whos:
列出变量的大小,数据格式等详细信息
clear:
清除工作空间中所有的变量
clear+变量名:
清除指定的变量
exist:
查询当前工作空间的变量
i=exist(‘A’)返回的值i表示A存在的形式
i=1表示在当前工作空间中存在一个变量名为A的矩阵;
i=2表示存在一个名为A.m文件;
i=3表示在MATLAB工作路径下存在一个名为A.mex的文件;
i=4表示存在一个编译好的名为A.mdl的SIMULINK文件;
i=5表示存在一个内部的MATLAB函数A();
i=0表示不存在和A相关的变量和文件。
2图形窗
一般情况下,只要执行了任一种命令(如plot命令),就会自动产生图形窗,以后绘出的图形都在此图形窗中进行。
如
t=0:
0.5:
4*pi;
y=exp(-0.1*t).*sin(t);
y1=exp(-0.1*t).*sin(t+1) ;
plot(t,y)
plot(t,y1)
如想再建一个或几个图形窗,则可输入figure,MATLAB会建一个图形窗,并启动给它依次排序,若要认为规定新图3,则可键入figure(3);若要调看已经存在的图形窗n,也应键入figure(n)。
在命令窗输入figure,得出空白图形窗;如键入logo,则可生成MATLAB的标志图形。
3文本编辑
单击MATLAB中命令窗中新建按钮,即可打开文本编辑器的窗口。
该窗口特别之处:
(1)它用不同颜色显示MATLAB规定的保留字(蓝)、非法字符(鲜红)、注释字符(绿)和引用字符(深红)等。
(2)能对程序自动缩进排版,便于阅读和调试。
(3)它自带程序调试及运行功能,使用方便。
在文本编辑器中输入脚本文件,进行调试及运行。
四思考题
熟悉MATLAB工作环境之后,可自行编制简单的程序并生成图形。
1编写程序,计算
的值(用input语句输入n值)。
2编写分段函数
的函数文件,存放于文件ff.m中,计算出
的值。
实验二图形绘制与修饰
一、实验目的
通过实验使学生掌握图形绘制的方法及图形中轴的设置,文字标志,网络控制和图例标注等相关内容。
二、实验设备
PC机MATLAB应用软件
三、实验内容
三维曲线的绘制,图形坐标轴的调整,文字标注,网格控制,图例标注等。
1二维曲线的绘制——使用plot命令
plot命令调用格式:
plot(x1,y1,’参数1’,x2,y2,’参数2’...)
(1)x,y数据值
x,y可以是向量或矩阵
●当x,y均为微量时,要求向量x,y的长度一致,则plot(x,y)可绘制出以x为横坐标,y为纵坐标的二维图形。
●当x为向量,y为矩阵时,plot(x,y)用不同的颜色的图线绘制出y行或y列对应于x的图形,y矩阵的行或列的选择取决于x,y的维数。
若y为方阵或y矩阵的列向量长度与x向量的长度一致,则绘制出y矩阵的各个列向量相对于x一组二维图形;若y矩阵的行向量长度与x向量长度一致,则绘制出y矩阵的各个行向量相对于x的一组二维图形。
●若x为矩阵,y为向量,按类似于上一规则执行
●若x,y为同维的矩阵,则plot(x,y)绘制出y列向量相对于x列向量之间的一组二维图形。
●若x为向量,则plot(x)绘制出一个x元素和x元素排列序号之间关系的线性坐标图。
●若x为矩阵,则plot(x)绘制出x的列向量相对于行号的二维图形。
(2)参数
参数选项为一个字符串,决定了二维图形的颜色,线型以及数据点的图标。
如plot(x,y,’r:
o’)命令,字符串’r:
o’,”r”表示曲线颜色为红色,第二个字符“:
”表示曲线线型采用点连线,“o”表示曲线上每一个数据点用圆圈标出。
当参数只指定数据点标记时,只按照标记符画出孤立的数据点,不将数据点连接成线。
如键入命令t=0:
0.5:
7;
x=sin(t);
plot(t,x,’k:
o’)则生成以下图形
2坐标轴的调整
MATLAB用axis命令对绘制的图形的坐标轴进行调整。
axis命令的功能非常丰富,可用它控制轴的比例和特性。
(1)坐标轴比例控制
命令axis([xminxmaxyminymax])将图形的x轴限定在[xmin,xmax]之间,y轴的范围限定在[ymin,ymax]之间,matlab绘制图形时,按照给定的数据值确定坐标参数范围。
对坐标轴范围参数的修改,也就相对于对图形进行放大或缩小处理。
如在绘出上图之后,加一条命令:
axis([03*pi-22])则上图变为
(2)坐标轴特性控制
命令axis(控制字符串),它根据控制字符串的含义控制图形,常用的控制字符串有auto(默认值)、square、equal和normal等等。
(3)坐标刻度标示
命令set(gac,’xtick’,标志向量)
Set(gca,’ytick’,标志向量)
按照标示向量设置x,y轴的刻度标示。
如输入命令
t=0:
0.5:
7;
x=sin(t);
plot(t,x,’k:
o’)
set(gca,’xtick’,[01.43.146.28])
3文字标示
有关图形的标题,轴线标注等指令有
title(‘字符串’)—图形标题
xlabel(‘字符串’)—x轴标注
ylabel(‘字符串’)—y轴标注
text(x,y,‘字符串’)—在坐标(x,y)处标注说明文字
gtext(‘字符串’)用鼠标在特定处标注说明文字
注:
当输入特定的文字需要用反斜杠(\)开头
4网格控制
设置或取消网格需要使用网格控制命令,网格是在坐标刻度标示上画出的格线,画出风格,便于对曲线进行观察和分析
命令gridon——在所画的图形中添加网格线
gridoff——在所画的图形中去掉格线
也可以只输入命令grid添加网格线,再一次输入命令grid,取消网格线。
下图为加网格后的图形。
5图例注解
当在一个坐标系上面画多幅图形时,为区分各个图形,MATLAB提供了图例的注解说明命令,其格式如下:
legend(字符串1,字符串2,…,参数)
此命令在图形中开启一个注解视窗,依据绘图的先后顺序,依次输出字符串对各个图形进行注解说明。
如字符串1标示第一个出现的线条,字符串2标示第二条出现的线条,参数字符串确定注解视窗在图形中的位置,如字符串为“0”时,表示尽量不与数据冲突,自动放置在最佳位置,“1”表示字符串放置在图形的右上角(默认)。
四思考题
1如何在一副图形中绘制不同的图形?
2如何区分不同的图形?
有哪些方法?
3选择合适的步距绘制出下面的图形
(1)sin(1/t),其中
(2)
其中
实验三系统的时间响应分析
一、实验目的
通过实验使学生掌握利用MATLAB进行控制系统的时间响应分析
二、实验设备
PC机MATLAB应用软件
三、实验内容
1、时域分析法是根据系统的微分方程(或传递函数),利用拉普拉斯变换直接解出动态方程,并根据过程曲线及表达式分析系统的性能,时域响应指标如图1所示
图1典型的系统时域响应指标表示
延迟时间td,指响应曲线第一次达到其终值一半所需要的时间。
上升时间tr,指响应曲线从终值10%上升到终值90%所需要的时间;对于有振荡的系统,也可定义为响应从零第一次上升到终值所需要的时间。
上升时间是系统响应速度的一种度量。
峰值时间tp,指响应超过终值达到第一个峰值所需要的时间。
调节时间ts,指响应达到并保持在终值±5%(或±2%)内所需要的时间。
超调量σ%,指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比,即:
稳态误差,描述系统稳态性能的一种性能指标。
2、二阶系统不同阻尼比
时的阶跃响应
二阶系统的传递函数为
,其阶跃响应可用下程序做出其单位阶跃和冲击响应的曲线(为简单起见,令
)。
close
holdon
num=[1];
t=0:
0.01:
12
forzeta=[0.10.20.40.71.0];
den=[12*zeta1];
printsys(num,den,'s');
[y,x]=step(num,den,t);
plot(t,y);
end
figure;
fornum=[0.10.20.40.71.0];
den=[12*zeta1];
printsys(num,den,'s');
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