计算机仿真技术,实验教案

1、名师精编优秀教案课程教案课程名称：计算机仿真技术实验任课教师：汤群芳所属院部：电气与信息工程学院教学班级：电气1403-04班教学时间：20152016学年第2学期湖南工学院课程基本信息课程 名称计算机仿真技术实验课程代码G0401834总计：16 学时 讲课：学时实验：16 学时 上机：16 学时 课程设计： 周学分1类别必修课（，） 选修课（）理论课（） 实验课（V ）任课 教师汤群芳职称讲师授课 对象专业班级：电气1403-4班共2 个班课 程 简 介（不 超过 1000计算机仿真实验课是计算机仿真课程重要的实践教学环节，其目的是使学生掌握MATLAB勺基本编程技巧，熟练地编写 MATL

2、AB?序；熟悉SimuLink 仿真的基本方法和元件构成；了解 MATLAB?号运算工具箱的使用方法，使学 生具备f的使用MATLAIM言进行本专业具体实例进行编程和仿真的能力。其主要内容有：熟练掌握 MATLA中的矩阵运算、多项式处理、控制语句、绘 制二维、三维图形和一些常用函数及工具箱等，并结合对本专业相关课程中 的具体实例，掌握常用的仿真编程方法。字）大纲共列出了 8个实验项目，电气工程专业学生可作为必做实验。自动 化专业学生在计划实验课时内，具体实验内容可由实验老师根据学生实际情 况，从其中选择4个实验项目作为必做实验，其它实验项目可作为学生开放 式实验选做内容。实验难度应循序渐进，同

3、时要有f的广度，使学生得到 较全面的训练。本材主参资 基教和要考料1 .教材计算机仿真技术实验指导书，自编，湖南工学院，20142 .参考资料1 MATLABE自动控制中的应用，吴晓燕编，西安电子科技大学出版社，20062控制系统数字仿真与CAD张晓华主编，北京：机械工业出版社,2003实验一熟悉MATLA琳境及基本运算（验证性实验）一、本次课主要内容1、熟悉MATLAB环境；2、掌握MATLAB常用命令；3、MATLAB变量与运算符。二、实验目的与要求1、熟悉MATLAB开发环境；2、掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算。三、教学重点难点重点：矩阵的运算；难点：无。四、教学方法和手段课堂讲授

4、、演示；巡回指导。五、作业与习题布置完成实验报告实验一熟悉MATLA琳境及基本运算(验证性实验)一、实验目的1 .熟悉MATLAB发环境2 .掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算、实验原理1.熟悉MATLA环境熟悉MATLAB面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览 文件和搜索路径浏览器2.掌握MATLABT用命令clc消除命令窗口中内容clear厂青除工作空间中变量help对所选函数的功能、调用格式及相关函数给出说明lookfor查找具有某种功能的函数但却不知道该函数的准确名称who查询工作空间中的变量信息3.MATLA变量与运算符变量命名规则如下:(1)变量名可以由英语字母

5、、数字和下划线组成(2)变量名应以英文字母开头(3)长度不大于31个(4)区分大小写MATLAB设置了一些特殊的变量与常量，列于下表。表1 MATLAB勺特殊变量与常量变量名功能说明变量名功能说明ANS默认变量名，以应答 最次操作运算结果realmin最小的正实 数i或j虚数单位INF(inf)无穷大pi圆周率NAN(nan)不定值(0/0)eps浮点数的相对误差nargin函数实际输 入参数个数realmax最大的正实数nargout函数实际输 出参数个数MATLAB算符，通过下面几个表来说明MATLAB各种常用运算符表2 MATLAB算术运算符操作符功能说明操作符功能说明+加r矩阵左除1-

6、减.数组左除*矩阵乘/矩阵右除；.*数组乘./r数组右除A矩阵乘力r矩阵转置1A数组乘方.数组转置表3 MATLAB关系运算符操作符功能说明=等于二不等于=大于等于=小于等于表4 MATLAB逻辑运算符逻辑运算符逻辑运算说明&And逻辑与|Or逻辑或Not逻辑非Xor逻辑异或表5 MATLAB特殊运算符号功能说明示例符号功能说明 示例:1:1:4;1:2:11.；分隔行.分隔列()%注释构成向量、矩阵!调用操作 系统命令构成单元数组=r用于赋值4. MATLAB勺一维、二维数组的访问表6子数组访问与赋值常用的相关指令格式指令格式指令功能A(r, c)数组A中r指定行、c指定列之元素组成的子数组

7、A(r,：)数组A中r指定行对应的所有列之元素组成的子数组A.,c)r数组a中c指定列对应的所有行之元素组成的子数组A(：)数组A中各列元素首尾相连组成的“一维长列”子数组A(i)一维长列”子数组中的第i个元素A( r, c)=Sa数组A中r指定行、c指定列之元素组成的子数组的赋值A(：)= U：)数组全元素赋值，保持A的行宽、列长不变，A Dffi组元素 总合应相同5. MATLAB勺基本运算表7两种运算指令形式和实质内涵的异同表数组运算矩阵运算指令含义指令含义A.非共辄转SA共3SA=s把标量s赋给A的每个元素s+B林里s分别与B兀系之和s-B,B-s标量s分别与腕素之差s.*A标量s分别

8、与A元素之积s*A标里s分别与A母个 元素之积s./B,B.s标量s分别被B的元素除S*inv(B)B车的逆乘sA.AnA的每个兀素自乘n次AAnA阵为方阵，自乘n 次A.Ap对A各元素分别求非整数幕AAp方阵A的非整数乘方1A+B对应兀素相加A+B矩阵相加A-B对应兀素相减A-B矩阵相减A.*B对应兀系相乘A*B内维相同矩阵相乘A./BA的元素别B的对应元素除A/BA除BB.A与上相同BAA&除Bexp(A)以自然数e为底，分别以A的元 素为指数，求幕expm(A)A勺矩阵指数函数log(A)对A勺各元素求对数logm(A)A勺矩阵对数函数sqrt(A)对A勺各元素求平方根sqrtm(A)A

9、勺矩阵平方根函数6.MATLA的常用函数表8标准数组生成函数指令含义指令含义diag产生对角形数组（对高维不适 用）rand产生均匀分布随机数组eye产生单位数组(对高维不适用)randn产生正态分布随机数组magic产生魔方数组(对高维不适用)zeros产生全彼组ones产生全1数组size()返回指定矩阵的行数和 列数表9数组操作函数指令含义diag提取对角线元素，或生成对角阵flipud以数组“水平中线”为对称轴，交换上下对称位 置上的数组元素fliplr以数组“垂直中线”为对称轴，交换左右对称位 置上的数组兀素reshape在总元素数不变的前提下，改变数组的“行数、 列数”rot90矩

10、阵逆时针旋转90度det方阵的行列式值rank矩阵的秩inv矩阵求逆eig矩阵的特征值，矩mo7.多项式运算poly产生特征多项式系数向量roots求多项式的根p=poly2str(c, x)(将特征多项式系数向量c转换为以习惯方式显示是多项式) conv, convs多项式乘运算deconv多项式除运算polyder(p)求p的微分polyder(a, b)求多项式a,b乘积的微分p,q=polyder(p1,p2)求解多项式p1/p2微分的有理分式Polyval(p,A) 按数组运算规则求多项式p在自变量A的值 polyvalm(p,A) 按矩阵运算规则求多项式pft自变量A勺值三、实验仪

11、器设备与器材计算机(安装有MATLAB件平台)四、实验内容与步骤1、新建一个文件夹（自己的名字命名）2、启动MATLAB7将该文件夹添加到MATLAB径管理器中。方法如下:“MATLABMie Edit Vie Web Wridcw HelpNev?8un”? Currert Directory: 口 MATLABSpClose Command Window trt+抑Import Data.S-ave Workspace As.Set Patti.Preferences.,Setup .Print.Print Selection.ExH MATLABCtri+QzJaJByts ClassI

12、 2JCurrent Directory3、保存，关闭对话框（要求抓取自己实验的图，插入到自己的实验报告中）4、学习使用help命令，例如在命令窗口输入help eye,然后根据帮助说明，学习使用指 令eye （其它不会用的指令，依照此方法类推）5、 学习使用 clc、 clear , 观察commancWindow、 commandhistory 和workspace等窗 口的 变化结果。6、练习使用MATLAB基本运算符、数组访问指令、标准数组生成函数和数组操作函数。(1) 输入help rand,然后随机生成一个2X6的数组，观察commancWindow、command history

13、和workspace等窗口的变化结果。(2)分别输入clc、clear , 了解其功能和作用。(3)输入C=1:2:20,则C (i)表示什么？其中i=1,2,3,。(4)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，记录输出结果并说明其含义：A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3)*B(:,2) A(:,3)*B(2,:)A*B A.*B AA2 AA2 B/A B./A(5)二维数组的创建和访问，创建一个二维数组(4X 8) A,查询数组A第2行、第3列的元素，查询数组A第2行

14、的所有元素，查询数组A第6列的所有元素。(6)使用表8列出的常用函数来创建二维矩阵(可通过 help方法，查看实例)。7、多项式运算(1)求多项式 p(x) =x32x-4的根、导数；(2)已知 A=1.2 3 5 0.9; 5 1.7 5 6; 3 9 0 1; 1 2 3 4,求矩阵 A 的特征多项式；(3)求特征多项式中未知数为20时的值。五、实验结果(或数据)与分析对于内容7多项式运算，试用笔算，并与利用 MATLAB真平台运算结果进行比较。六、实验总结与思考总结本实验内容，并思考MATLAB真平台的功能、应用场合及发展前景。教学后记：实验二Matlab程序设计基本方法（设计性实验）一

15、、本次课主要内容1、for循环结构；2、while循环结构；3、if-else-end 分支结构；4、 switch-case 结构。二、实验目的与要求1、熟悉MATLAB程序编辑与设计环境；2、掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法；3、函数文件的编写和设计；4、了解和熟悉跨空间变量传递和赋值。三、教学重点难点重点：程序设计方法；难点：函数文件的编写。四、教学方法和手段课堂讲授、演示；巡回指导。五、作业与习题布置完成实验报告实验二Matlab程序设计基本方法（设计性实验）一、实验目的1、熟悉MATLAB?序编辑与设计环境2、掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法3、函数文件的编写和设计4、了

16、解和熟悉跨空间变量传递和赋值.、实验原理1、for循环结构语法：for i =初值：增量：终值语句1 语句nend说明：1）、i =初值：终值，则增量为1。2）、初值、增量、终值可正可负，可以是整数，也可以是小数，只须符合数 学逻辑。2、while循环结构语法：while逻辑表达式循环体语句end说明：1）、whiIe结构依据逻辑表达式的值判断是否执行循环体语勾。若表达式的值 为真，执行循环体语句一次、在反复执行时，每次都要进行判断。若表达式的 值为假，则程序执行endfc后的语句。2）、为了避免因逻辑上的失误，而陷入死循环，建议在循环体语句的适当位置 力口break语句、以便程序能正常执行。

17、（执行循环体的次数不确定；每一次执行循 环体后，一定会改变while后面所跟关系式的值。）3）、while循环也可以嵌套、具结构如下：while逻辑表达式1循环体语句1while逻辑表达式2循环体语句2end循环体语句3end3、if-else-end 分支结构if表达式1语句1else if 表达式2（可选）语句2else（可选）语句3endend说明：1）、if结构是一个条件分支语句，若满足表达式的条件，则往下执行；若不 满足，则跳出if结构。2）、else if表达式2与else为可选项，这两条语句可依据具体情况取舍。3）、注意：每一个if都对应一个end,即有几个if ,记就应有几个e

18、nd。4、 switch-case 结构语法：switch表达式case常量表达式1语句组1case常量表达式2语句组2otherwise语句组nend说明：1）、switch后面的表达式可以是任何类型，如数字、字符串等。2）、当表达式的值与case后面常量表达式的值相等时，就执行这个 case后面 的语句组。如果所有的常量表达式的值都与这个表达式的值不相等时，则执行 otherwise后的执行语句。5、程序流程控制指令break、return、pause6、函数文件的结构和编写方法函数只能在函数体内对变量进行操作，也就是只能访问函数本身工作空间中的变量M函数文件的结构(1) 函数定义行(fu

19、nction )(2) H1行(函数帮助文本的第一行)(3)函数帮助文本(4)函数体(5)注释函数文件编写后，保存时，其文件名必须与函数名相同。注意：函数名不要与 MATLA的身的函数命令相同。三、设计内容(或设计任务)Jn X1、熟悉MATLAB?序编辑与设计环境。型E:黛东计篁机仿H mean.mHie Edit View Tsxt Debug Breakpaint5 Web Window Help H P昌名能地c 鹘分Stade;12 3456789 0 1func t i on yine an &)% MEAN Average or M电 an VRuw% For vectqrs M

20、lEAH ty.) returns the meari% For matrices, fflEAITGc) is a row vector学 containing tht 孙 value of each coluim叫nj=si re (x);if *=1m-n;endy=5m G10100的值(利用上题的n阶乘函数文件)(两种方法)5、编写一个乘法表(9 X9 )。四、设计要求（或设计指标与要求）对照设计内容和任务，编写和设计相应的 MATLA勰序，并调试运行得出正确结果 五、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLA欧件平台）。六、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，

21、分析并比较结果。七、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、MATLAB程语句与规则与CS言程序有何异同？2、MATLAB数文件的编写和调用如何实现？教学后记：实验三MATLAB的图形绘制(设计性实验)、本次课主要内容1、plot(x,y):绘制由x,y所确定的曲线；2、多组变量绘图：plot(x1, y1,选项1, x2, y2,选项2,);3、双Y轴绘图：plotyy()函数；4、图形窗口的分割；5、图形编辑窗口的使用。二、实验目的与要求1、学习MATLAB图形绘制的基本方法；2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令；3、熟悉掌握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面

22、，并添加图形的 各种标注；4、掌握plot、subplot的指令格式和语法。三、教学重点难点重点：图形绘制的基本方法；难点：无。四、教学方法和手段课堂讲授、演示；巡回指导。五、作业与习题布置完成实验报告实验三MATLAB的图形绘制(设计性实验)、实验目的1、学习MATLAB形绘制的基本方法；2、熟悉和了解MATLAB形绘制程序编辑的基本指令；3、熟悉掌握利用MATLAB形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注;4、掌握plot、subplot的指令格式和语法。二、实验原理1、plot(x,y):绘制由x,y所确定的曲线；2、多组变量绘图：plot(x1, y1,选项1, x2, y2

23、,选项2,)；3、双Y?由绘图：plotyy()函数；4、图形窗口的分割；5、图形编辑窗口的使用。三、设计内容(或设计任务)1、二维曲线绘图基本指令演示。本例运作后，再试验plot(t), plot(Y), plot(Y,t), 以观察产生图形的不同。t=(0:pi/50:2*pi);k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,Y)plot指令基本操作演示2、用图形表示连续调制波形Y=sin(t)sin(9t)及其包络线。要求自己修改绘图的颜色、线型和数据点的标记t=(0:pi/100:pi);y1=sin(t)*1,-1;y2=sin(t).*sin(9*t);t3=pi*(

24、0:9)/9;y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,r:,t,y2,b,t3,y3,bo)3、在一个图形窗口绘制正弦和余弦曲线，要求给图形加标题“正弦和余弦曲线”，X轴Y轴分别标注为“时间t”和“正弦、余弦”，在图形的某个位置标注“ sin(t) ”“cos(t) ”，并加图例，显示网格，坐标为正方形坐标系。4、绘制向量x=1 3 0.5 2.5 2的饼形图，并把3对应的部分分离出来。5、绘制参数方程 x=t,y=sin(t),z=cos(t) 在t=0 7区间的三维曲线。6、用 hold on 命令在同一个窗 口绘制曲线 y=sin(t) , y1=sin(t+0.

25、25), y2=sin(t+0.5)，其中 t=0 10。7、观察各种轴控制指令的影响。演示采用长轴为3.25,短轴为1.15的椭圆。注意： 采用多子图(图6.2-4 )表现时，图形形状不仅受“控制指令”影响，而且受整个 图面“宽高比”及“子图数目”的影响。t=0:2*pi/99:2*pi;x=1.15*cos(t);y=3.25*sin(t);subplot(2,3,1),plot(x,y),axis normal,grid on,title(Normal and Grid on)subplot(2,3,2),plot(x,y),axis equal,grid on,title(Equal)

26、subplot(2,3,3),plot(x,y),axis square,grid on,title(Square)subplot(2,3,4),plot(x,y),axis image,box off,title(Image and Box off)subplot(2,3,5),plot(x,y),axis image fill,box offtitle(Image and Fill)subplot(2,3,6),plot(x,y),axis tight,box off,title(Tight)各种轴控制指令的不同影响四、设计要求（或设计指标与要求）对照设计内容和任务，编写和设计相应的 MA

27、TLA勰序，并调试运行得出正确结果 五、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLA欧件平台）。六、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，分析并比较结果。七、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、MATLAB形绘制有哪些基本指令？2、如何设置MATLA图形的属性，比如颜色、线型、坐标轴名称、图形标题等？教学后记:实验四Simulink建模与仿真(设计性实验)、本次课主要内容(1) SIMULINK(2) SIMULINK(3) SIMULINK(4) SIMULINK(5) SIMULINK(6) SIMULINK SIMULINK简介；的启动；的模块库介绍；简单模型的建

28、立; 功能模块的处理; 应用举例； 仿真的运行。二、教学目的与要求(1)学习SIMULINK 软件工具的使用方法;(2)用SIMULINK仿真线性系统；三、教学重点难点重点：用SIMULINK仿真线性系统；难点：SIMULINK功能模块的处理。四、教学方法和手段课堂讲授、演示；巡回指导五、作业与习题布置完成实验报告实验四Simulink 建模与仿真（设计性实验）一、实验目的1、学习SIMULINK 软件工具的使用方法；2、用SIMULINK仿真线性系统。二实验原理1、SIMULINK 简介SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件 包，它与MATLAB语言的

29、主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非 语言的编程上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如 何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系 统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。2、SIMULINK 的启动进入SIMULINK界面，只要你在MATLAB命令窗口提示符下键入 SIMULINK, 接回车键即可启动SIMULINK软件。3、SIMULINK的模块库介

30、绍? SIMILINK模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous （连续模块）Discrete （离散模块）Function&Tables （函数和平台模块）Math （数学模块）Nonlinear （非线性模块）Signals&Systems （信号和系统模块）Sinks （接收器模块）Sources (输入源模块)4、SIMULINK简单模型的建立(1)建立模型窗口(2)将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口(3)对模块进行连接，从而构成需要的系统模型5、SIMULINK功能模块的处理(1)模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳(选中模块，按住鼠标左键不放)而 放到模型窗口中进行处

31、理。(2)在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行 以下的基本操作：移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳；复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块；删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以同时按住Shift键， 再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete 键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除；转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转1

32、80度,选择Rotate Block顺时针旋转90 度。或者直接按 Ctrl+F键执行Flip Block ,按Ctrl+R键执行Rotate Block。改变大小：选中模块，对模块出现的 4个黑色标记进行拖曳即可。模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换 180度，可以用Format菜单中的Flip Name来 实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name可以隐藏模块名称。颜色设定：Format菜单中的 Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜

33、色可以通过 Screen Color来改变。参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进 行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮 助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。属性设定：选中模块，打开 Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设 定。包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、 Attributes format string属性。其中Open function属性是一个很有用的属性,通 过它指定一个函数名，

34、则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是 一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系 统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输 入信号，模块都具有一种 智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对 参数的设定，可以使模块输出向量信号。、设计内容(或设计任务)1、在SIMULINK环境下，作T1、T2、T3系统的阶跃响应；丁2丁 4s 2 T1T1 =-21 2 =-2T3 = -32s 2s 2 s 2s 2 2s

35、 3s 3s 1将T1、T2、T3系统的阶跃响应图在同一 Scope中显示。2、典型二阶欠阻尼系统的传递函数为：222G(S); ( % ;)( ( O)s 2 %s % s -20s ( a 二)极点位置：S - j a二二，n i a n1 1 - 2; = cos)式中：在SIMULINK环境下，作该系统在以下参数时的仿真：设w a=1,(r=0.5,1/阶跃响应，(用同一 Scope显示)；设o- =1 ,a=0.5,1,5t阶跃响应在(用同一 Scope显示)；设:=1 2，=2 2 , 2 ,5 2求阶跃响应（用同一 Scope显示）；设,n=:2 1- 300 450600求阶跃

36、响应，（用同一 Scope显示）；阶跃响应的时间：0&t&l0t跃信号幅值为+2V。分析参数变化（增加、减少与 不变）对阶跃响应的影响。四、设计要求（或设计指标与要求）对照设计内容和任务，设计和构建相应的MATLAB mdl文件，并调试运行得出正确 结果。五、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLAB软件平台，包含SIMULINK仿真模块）。六、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，分析并比较结果。七、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、MATLAB平台中进行SIMULINK建模仿真，有哪些步骤？2、如何设置仿真参数，比如仿真时间、仿真算法、波形显示等？教学后记：实

37、验五控制系统的分析（1）（综合性实验）一、本次课主要内容1、一阶系统阶跃响应；2、二阶系统阶跃响应；3、二阶系统单位冲激响应；4、高阶系统阶跃响应。二、实验目的与要求1、熟悉MATLAB软件分析系统时域响应方法。通过观察典型二阶系统在单位阶 跃、脉冲、斜坡信号作用下的动态特性，熟悉各种典型的响应曲线；2、通过二阶系统定性及定量了解参数变化对动态特性的影响。分析参数变化时对系统响应的影响。三、教学重点难点重点：一阶系统阶跃响应；难点：高阶系统阶跃响应。四、教学方法和手段课堂讲授、演示；巡回指导五、作业与习题布置完成实验报告实验五控制系统的分析（1）（综合性实验）、实验目的1、熟悉MATLAB软件

38、分析系统时域响应方法。通过观察典型二阶系统在单位阶 跃、脉冲、斜坡信号作用下的动态特性，熟悉各种典型的响应曲线。2、通过二阶系统定性及定量了解参数变化对动态特性的影响。分析参数变化时 对系统响应的影响。设、设计内容（或设计任务）（一）一阶系统时域响应分析1、 一阶系统阶跃响应：图示RC网络为一阶系统，图1-1研究图1-1所示电路，其运动方程为：Tc（t） +c（t） = r（t）式中，T=RC为时间常数.当初始条件为零时，其传递函数为(s)=C(s)R(s)1Ts 1若 R=1Q, C=0.01F, 则T=RC=0.01s。传递函数 (s)= 1/(0.01s+1),求单位阶跃响应的MATLA

39、B程序如下：设K=1、T=0.01 clear clear allnum=1； den=0.01 1; step(num,den) 执行后可得如下图形：2 、求当K=1, T=0.1,0.5,1 , 2s时的阶跃响应，记录曲线列表求出ts并分析为读数方便，可加入step(num,den) ; grid on。数据可保留两位有效数字(二)位置随动系统可以用如下二阶系统模型描述：2一二安 2-2R(s) s 2 nsf 叫n一自然频率，己一相恋S电系数1 、试绘制n=6,己=0.2, 0.4,1.0, 2.0 时的单位阶跃响应。MATLA醒序：wn=6;kosi=0.1:0.2:1.0 ,2.0；

40、figure(1)hold onfor kos=kosinum=wn.AZden=1,2*kos*wn,wn.A2；step(num,den)endtitle( Step Response)hold off2 、绘制典型二阶系统，当=0.7, co n=2, 4, 6, 8时的单位阶跃响应。MATLAB 程序：w=2:2:8;kos=0.5;figure(1) hold on for wn=wnum=wn.A2；den=1,2*kos*wn,wn.A2；step(num,den) end title( Step Response) hold off要求记录1、2曲线波形，并求相应的 tr、ts

41、、tp列表分析实验结果, 讨论参数变化对系统的影响。3 、求二阶系统的己=0.5, con=10时的单位冲激响应。2COnMATLAB 程序:wn =10； kos=0.5 ;figure(1)num=wn.A?den=1,2*kos*wn, wn-2； impulse(num,den)title( Impulse Response )；记录曲线波形并求ts tp oMATLAB 程序:4 、求高阶系统的单位阶跃响应。上述程序如加语句：z, p=tf2zp（num,den）则可以求出零极点，从而可判断系统的稳定性。三、设计要求（或设计指标与要求）对照设计内容和任务，编写和设计相应的MATLAB

42、序文件，并调试运行得出正确结果。四、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLA歆件平台）。五、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，分析并比较结果。六、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、控制系统的动态性能指标有哪些，指标含义是什么？2、对于典型二阶系统，改变阻尼比 七的取值，其阶跃响应曲线怎样变化，试分析原 因？教学后记:实验六控制系统的分析（2）（综合性实验）一、本次课主要内容1、根轨迹的概念；2、用MATLA歆件绘制根轨迹。二、实验目的与要求1、掌握MATLA飘件绘制根轨迹的方法；2、分析参数变化对根轨迹的影响；3、利用根轨迹法对控制系统性能进行分析。三、教学重

43、点难点重点：利用根轨迹法对控制系统性能进行分析；难点：分析参数变化对根轨迹的影响。四、教学方法和手段课堂讲授、演示；巡回指导。五、作业与习题布置完成实验报告名师精编优秀教案实验六 控制系统的分析(2)(设计性实验)一、实验目的1、掌握MATLA飘件绘制根轨迹的方法。2、分析参数变化对根轨迹的影响。3、利用根轨迹法对控制系统性能进行分析。二、实验原理1、根轨迹的概念经典控制理论中，为了避开直接求解高阶特征方程式根时遇到的困难，提出了 一种图解求根的方法，即根轨迹法。根轨迹是指当系统的某个参数从零变化到无穷 时，闭环特征方程的根在复平面上的变化曲线。常规根轨迹一般取开环增益 K作为可变参数，根轨迹

44、上的点应满足根轨迹方程：m*K II (s-Zj) i 1G(s)H(s) = =-1“(s-Pi) i=1其中Zj -开环布点，pi -开环极点，K -根轨迹用血，TH 一个变化的参数 * 、 一 (0TM), K =AK , A为一常数。系统结构图如下：= (2k+1)n。m“ l(S-Zj)lj 1n=1n图6-1闭环系统结构图闭环特征根(即根轨迹上的点)应满足(1)幅值条件：；KJB(s) =Km A(S).相角条件：/(s-Zj)-也丛Ss二Pp)j 1i 1名师精编优秀教案2、用MATLABC件绘制根轨迹MATLAB7.0供的工具箱给出了一系列关于根轨迹的函数，如表2-1所示。使用

45、这些函数能够很方便地绘制出系统的常规根轨迹和参数根轨迹，还能基于根轨迹对 系统性能进行分析。表6-1根轨迹函数函数名函功能描述pzmap绘制零极点rlocfind计算给定根轨迹增益rlocus计算并绘制根轨迹rltool根轨迹设计GUI工具sgrid绘制连续时间系统根轨迹和零极点图中的阻尼系数和自然频 率网格zgrid绘制离散时间系统根轨迹和零极点图中的阻尼系数和自然频率网格 pzmap调用格式：pzmap(sys); p,z=pzmap(sys)2) rlocfind调用格式：k,poles=rlocfind(sys); k,poles=rlocfind(sys,p) rlocusr,k=r

46、locus(sys);调 用 格式： rlocus(sys); rlocus(sys,k);r=rlocus(sys,k) rltool调用格式：rltool(plant); rltool(plant,comp) sgrid调用格式:sgrid; sgrid(z,wn) zgrid调用格式：zgrid; zgrid(z,wn)、设计内容(或设计任务)s(s 1)(s 2)绘制系统的根轨迹图系统的开环传递函数：G(s)H(s)=程序:图6-2开环传递根轨迹图1、采用上述方法绘制开环传递函数当 a=1, 0.5, 8, 102、绘制开环传递函数*K (s 1)*G(s)2-(s ), K 0s (

47、s a)时系统的根轨迹，记录根轨迹图并分析。*K (s 5)*G(s)= 3 (2 ) ,K0s s 6s的闭环根轨迹，并确定根轨迹上任意点处的 K值及对应的闭环特征根。num=1 5;den=1 1 6 0;rlocus(num,den)k,p=rlocfind(num,den)gtext(k=0.5)执行时先画出了根轨迹，并提示用户在图形窗口中选择根轨迹上的一点，以计算出 增益K及相应的极点。对于开环传函：G(s)=*K (s 5)s3 5s2 6s*,K输入如下语句:K=10; s1=tf(10 10*5,1 5 6 0);sys=feedback(s1,1); %单位负反馈闭环传函st

48、ep(sys);impulse(sys); 可以求出K = 10时的单包阶跃响应和冲激响应。Step Response1.8 1.6 , .-1.4 -.1-I . 1.2 ie 11._.u m 0.80.60.40.2 -0 CC:051015Time (sec)图6-3图 闭环单位阶跃响应图 、 . 、 . - 、 - 、 . _ * . . . . . . .按照上述万法记录K =5时的单位阶跃响应和冲激响应曲线。3、一种具有高性能微型机器人的传递函数为： *K (s 1)(s 2)(s 3)*G(s)H (s):3-,K 0s (s - 1)(1)画出系统的根轨迹图；(2)求使闭环系

49、统稳定的增益范围。MATLA毓序:z=-1,-2,-3;p=0,0,0,1;k=10;G=zpk(z,p,k);rlocus(G);sys=feedback(G,1);step(sys);由根轨迹图和运行数据知，当K 时，闭环系统稳定？与之对应的振荡频率为多少？四、设计要求(或设计指标与要求)1、画出各系统根轨迹图并讨论；2、确定根轨迹上的分离点、与虚轴的交点；3、从根轨迹上能分析系统的性能(稳定性、动态响应)。五、实验仪器设备与器材计算机（安装有MATLA歆件平台）。六、实验结果（或数据）与分析利用数学方法，对设计内容进行计算，分析并比较结果。七、实验总结与思考总结本实验内容，并思考：1、描

50、述控制系统根轨迹的概念？2、借助系统的根轨迹，如何分析系统的动态性能和稳定性? 教学后记：实验七 控制系统的频率特性分析（综合性实验）一、本次课主要内容1、奈奎斯特稳定判据及稳定裕量；2、对数频率稳定判据；3、利用MATLAB绘制Nyquist图和Bode图。二、教学目的与要求1、掌握运用MATLAB软件绘制控制系统波特图（Bode）的方法；2、掌握MATLAB软件绘制奈奎斯特图（Nyquist）的方法；3、利用波特图和奈奎斯特图对控制系统性能进行分析。三、教学重点难点重点：利用波特图和奈奎斯特图对控制系统性能进行分析；难点：MATLAB软件绘制奈奎斯特图（Nyquist）的方法。四、教学方法

51、和手段课堂讲授、演示；巡回指导。五、作业与习题布置完成实验报告实验七控制系统的频率特性分析(设计性实验)一、实验目的1、掌握运用MATLA歆件绘制控制系统波特图(Bode)的方法；2、掌握MATLA歆件绘制奈奎斯特图(Nyquist )的方法；3、利用波特图和奈奎斯特图对控制系统性能进行分析。二、实验原理1、奈奎斯特稳定判据及稳定裕量(1)奈氏(Nyquist )判据：反馈控制系统稳定的充要条件是奈氏曲线逆时针 包围临界点的圈数R等于开环传递函数右半s平面的极点数P,即R=P ;否则闭环 系统不稳定，闭环正实部特征根个数Z可按下式确定Z=P-R=P-2N(2)稳定裕量利用G(j6)H(jco)轨迹上两个特殊点的位置来度量相角裕度和增益裕度。其中交点频率为x (穿越频率)。则相角裕度:增益裕度:G(jm)H(js)与负实轴的G(jco)H(jM与单位圆的交点处的频率为0c (截止频率)；h =G(j x)H(j x)1AC-j= 180. G(j c)H(j c) =180( c)(对数形式：h -20lgG(