控制工程MATLAB实验报告

1、浙江科技学院机电系统开放性实验设计题目：MATLAB控制机电系统实分析专业：机械设计制造及其自动化班级：机制122学生姓名：王朝旭指导老师：高俊2014年05月30日目录实验一 MATLAB 语言基本命令.31 实验目的. 32 实验器材. 33 实验内容. 34 实验步骤：. 35 实验类容：. 3实验二 MATLAB 控制系统工具箱使用.61 实验目的. 62 实验器材. 63 实验内容. 64 实验步骤及内容 . 错误！未定义书签。实验三 MATLAB 数字控制器设计初步.91 实验目的. 92 实验器材. 93 实验内容. 74 实验步骤及内容. 7实验四 控制系统数学模型的MATLA

2、B 实现. 121 实验目的. 122 实验器材. 123 实验步骤及内容. 12总结. 14实验一MATLAB语言基本命令1实验目的1.掌握科学计算的有关方法，熟悉 MATLAB言及其在科学计算中的运用；2.掌握 MATLAB 勺命令运行方式和 M 文件运行方式；3.掌握矩阵在 MATLAB的运用。2实验器材计算机 WinXP Matlab7.0 软件3实验内容(1) . 输入 A=7 1 5;2 5 6;3 1 5, B=1 1 1; 2 2 2;3 3 3在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：A(2, 3)A(:,2)A(3,:)A(:,1:2:3)A(:,3).*B(:,2)A(:,

3、3)*B(2,:) A*BA.*BAA2A.A2B/AB./A(2) .输入 C=1:2:20，则 C (i )表示什么？其中 i=1,2,3,10 ;(3) .查找已创建变量的信息，删除无用的变量；(4) .试用 help 命令理解下面程序各指令的含义：cleart =0:0.001:2*pi;subplot(2,2,1);polar(t, 1+cos(t)subplot(2,2,2);plot(cos(t).A3,si n(t).A3)subplot(2,2,3);polar(t,abs(s in( t).*cos(t)subplot(2,2,4);polar(t,(cos(2*t).A0

4、.5)4实验步骤：打开 MATLABi 序，将实验内容中的题目依次输入MATLAB，运行得到并记录结果，最后再对所得结果进行验证。5实验报告内容(1) A=7 15;2 5 6;3 1 5A =715256315 B=1 1 1; 22 2;3 3 3B =111222333 A(2, 3)“取矩阵 A 中第二行第三列的兀素ans =6 A(:,2)“取矩阵 A 中第二列的兀素”ans = A(3,:)“取矩阵 A 中第三行的元素”ans =315 A(:,1:2:3)“使矩阵的第一列到第二列，第二例到第三列，构成新的2*3 的矩阵”ans =752 635 A(:,3).*B(:,2)“取矩

5、阵 A 的三列和 B 的第二列，对应元素一次相乘”ans =1215 A(:,3)*B(2,:)“取矩阵 A 的三列和 B 的第二行，对应元素进行叉乘”ans =1010 101212 121010 10 A*Bans =2424 243030 302020 20 A.*B“矩阵进行叉乘”两矩阵对应元素相乘”ans =715410 129315 AA2“矩阵 A 叉乘上矩阵 A”ans =6617664233 703813 46 A.A2“举证 A 中的元素翻倍”ans =49125425 369125 B/A“矩阵B除以矩阵A”ans =0.18420.2105 -0.23680.36840

6、.4211 -0.47370.55260.6316 -0.7105 B./A“两矩阵对应元素相除”ans =0.14291.00000.20001.00000.40000.33331.00003.00000.6000(2) C=1:2:20C =135791113151719C (i )表示奇数 2*i-1 查找已创建变量的信息，删除无用的变量cleart =0:0.001:2*pi;subplot(2,2,1);polar(t, 1+cos(t)subplot(2,2,2);plot(cos(t).A3,si n(t)43)subplot(2,2,3);polar(t,abs(s in( t

7、).*cos(t)subplot(2,2,4);polar(t,(cos(2*t).AQ.5)“清除”“定义时间向量”“定义多块图画的绘图位置”“绘制函数图像”实验二MATLAB控制系统工具箱使用1实验目的(1) 了解 Matlab 控制系统工具箱中常用函数 .(2) 掌握模型转换方法以及奈氏图、伯德图的绘制。(3) 掌握系统脉冲、阶跃等响应的仿真方法2实验器材计算机 Win7、Matlab7.0 软件3实验内容(1)利用 residue 函数求取传递函数的部分分式展开式(2)利用 tf 函数构建系统传递函数(3)禾 9 用 impulse、step、Isim 等函数仿真系统的单位脉冲、阶跃、

8、速度响应。(4)画出单位负反馈的开环传递函数的在频率0.01-100rad/s 间的伯德图 (5 )画出系统的乃奎斯特图4实验步骤及内容432(1)写出传递函数G(sxs 11s 395 525 26的部分展开式S4北cs3刊5s2七0s七4a. 列些分子 num、分母 den 的系数b. 利用 residue(num,den)求出零极点和余项实验运行结果：r = 1.00002.5000-3.00000.5000 p =-4.000-3.0000-2.000-1.0000(2)对于系统GS晟？FA.首先利用 conv 函数展开分母，获得各阶系数，此时 num=14 21;den=con v(

9、co nv(co nv(1 0 0, 3 1),c on v(1 2,1 2), 5 0 3 8)b.再利用 tf 函数构建传递函数运行结果：22sA+20s+50k=1G(S)=5432sA +15 sA +84sA +223sA +240s+100102(3) a.用 tf(num,den)函数构建高阶系统传递函数G(s)=2s 20s 50l丿 一415s5484sT+2233+24(S +100b.构建时间向量 tc 用函数 impulse 及 step 仿真系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应d. 用 lism 函数仿真系统速度响应e. 程序调试成功后实验结果：A impulse 单位脉

10、冲信号实验结果B step 单位阶跃信号仿真结果C lism 函数仿真系统速度响应Lrieor SrnulaDr -esut-iopnlTLUTme IsecsndsjJawrLUJVJawrLUJV101234 SITimei(4)绘制单位负反馈的开环传递函数G(S) J(s 1)的伯德图。s(s +7)a. 写出 num, denb. 用 logspace 函数设定频率范围c 利用 bode 函数输入幅值增益、相位d. 把增益值转换为分贝值e. 添加网格线，并生成二行一列的图表f.用 semilogx 在两个图标中分别生成幅值频率和相频特性曲线。g. 用 margin 函数获取开环的幅值裕

11、量和相位裕量。h. 程序调试后写入实验报告margin 函数获取开环的幅值裕量和相位裕量。Gm = Inf Pm =126.0768 wcg =NaN wcp = 7.2725DDrls Cusgram-snrs-snrsFreautncv (nB緘实验三MATLAB数字控制器设计初步1实验目的(1) 掌握离散信号 z 变换和 z 逆变换的 matlab 方法(2) 掌握离散系统的系统函数零极点分布与系统频率特性的(3) 掌握 matlab 计算差分方程的方法。2实验器材计算机 Win7、Matlab7.0 软件3实验内容(1)找到 matlab 的符号运算工具箱提供的z 变换函数 ztran

12、s 与反变换函数 iztrans，通过 help理解其用法，并掌握符号表达式的构建和应用。F=ztrans(f)%求符号函数 f 的 z 变换，返回函数的自变量为 z；F=ztrans(f,w)%求符号函数 f 的 z 变换，返回函数的自变量为w ；F=ztrans(f,k,w) %对自变量为 k 的符号函数 f 求 z 变换，返回函数的自变量为 w。f=iztrans(F)%对自变量为 z 的符号函数 F 求逆 z 变换，返回函数的自变量为 n;f=iztrans(F,k)%对自变量为 z 的符号函数 F 求逆 z 变换，返回函数的自变量为k；f=iztrans(F,w,k) %对自变量为

13、w 的符号函数 F 求逆 z 变换，返回函数的自变量为k。4实验步骤及实验内容(1) 已知序列f(k) =2丄，求其 z 变换。解：在命令窗口中输入如下命令，即可完成f(k)的 z 变换解：运行如下 M 文件,syms k zH=sym(z/(zA2+3*z+2);h=iztrans(H,k)%求逆 z 变换h =(-1)Ak - (-2)Akmatlab 实现方法 syms k f=sym(2人(-k); F=ztra ns(f)F =z/(z - 1/2)(2)已知一离散系统的系统函数%定义序列f(k)=2“%求 z 变换H(z)二zz23z 2求其冲激响应h(k)。MATLAB 的 zp

14、lane 函数用于系统函数的零极点图的绘制，调用方式为:zplane(b,a) 其中，b、a 分别为系统函数分子、分母多项式的系数向量例已知一离散系统的系统函数H(Z) =z27z0.1，试绘制其零极点图。Z2+3Z+2解：在 MATLAB 的命令窗口中输入如下命令，即可得到其零极点图(图 a=1 3 2; b=1 -0.7 0.1;2n1 1nyzi(n) =H-(-1) W(2)u(n)同理，则零状态激励响应响应的表达式为 zpla ne(b,a)%绘制其零极点图1 1(4)若描述离散系统的差分方程为y(n) y(n -1) y(n -2) =x(n)，已知激励状态 y(-1)=1,y(-

15、2)=0，求系统的零输入响应，零状态响应。【解】将差分方程两边取Z变化的Y(Z) 1ZJY(Z) y1)H1zY (z)+zy(_1) +y(-2) =X(z)，进整理，得2 2x(n) =2nu( n)，初始1丄1-y(-1)( -1)：y(-2)丫(Z)/,、，1J-)12- X(z)，前一部分为零输入响应,1Z1丄丄丄2 2 2 2后一部分为零状态响应。将 y(-1)=1,y(-2)=0 代入第一部分，则零输入响应的表达式为Yzi11-.-2Z221 Z-z(zj)2Z2 2-1Z(Z -1)21(Z 1)(Z)221ZZ二6，因此经过Z 11Z ZZ的逆变化得,7-1 )。X(z)二一

16、-鼻21112z _2_1 z_ z_2 2 2 yzs(n) =(/)n右孑!(2)nu(n)99 29如果直接利用 iztrans 函数进行编程求解如下clcsyms zy=0.5*(1/z-1)/(1+1/2*z-1/2*zA2)y=iztra ns(y)结果：1/2*charfcn1( n)-3/4*charfc n 0( n)+1/12*2A n+2/3*(-1Fn(5)已知F(S)2，通过部分分式展开法求F(z)。s(s+1)2(s+3)F=sym(s+2)/(s*(s+1)A2*(s+3);%传递函数 F(s)进行符号定义 nu mF,denF=numde n(F)；% 提取分子

17、分母pnumF=sym2poly(numF)；%将分子转化为一般多项式pde nF=sym2poly(de nF);%将分母转化为一般多项式R,P,K=residue(pnumF,pdenF)% 部分分式展开 对应部分分式分解结果为：111丄1F(s) =0.0830.750.520.67s 七s+1(s 出)sYzs(z)2218z z zJ9Lz 1z1 z _2z 实验四 控制系统数学模型的MATLAB实现(用MATLAB展开及合并部分分式)1实验目的(1)掌握 matlab 展开部分分式的方法2实验器材计算机 Win7、Matlab7.0 软件3实验步骤及实验内容(1)用 matlab

18、 展开部分分式bSm- blSmJ + bm-lS + bmn丄nasais+an-is+an用 num 和 den 分别表示 G(s)的分子和分母多项式，即num = b0b1bmIden - la。a1am 1MATLAB 提供函数 reside 用于实现部分分式展开，其句法为r, p, k=reside(num,den)其中，r, p 分别为展开后的留数及极点构成的列向量;项多项式行向量。若无重极点，MATLAB 展开后的一般形式为：G(s“T.+_K(S)s-p(1) s-p(2)s-p( n)若存在 q 个重极点 p (j),则展开式将包括下列各式：r(j) . r(j 1).+r(q-1)s-p(j) s-p(j)2s-p(j)q4实验步骤及实验内容(1)求下式的部分分式展开432、S4+11S3+39S2+52s+26G