MATLAB实训报告 基于MATLAB语言编程的系统S平面分析.doc

MATLAB 语语言言编编程程实实训训报报告告 题 目 基于 MATLAB 语言编程的系统 S 平面分析 系 别 年 级 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 设计时间 常熟理工学院实训报告 1 目目 录录 第一章 绪论 2 1 1 课题研究的目的与意义 2 1 2 社会背景和科技背景 2 1 2 1 社会背景 2 1 2 2 技术背景 3 1 3 实现的具体功能 4 第二章 课题基本概念和原理 5 2 1 MATLAB 5 2 2 系统 S 平面分析的基本理论 5 第三章 系统设计和实现 8 3 1 采用的软件及开发平台 8 3 2 系统的详细设计 8 3 2 1 MATLAB 中系统 S 平面分析的基本函数 8 3 2 2 分析与实现 8 第四章 总结与体会 14 参考文献 14 附录 15 常熟理工学院实训报告 2 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 课题研究的目的与意义课题研究的目的与意义 1 熟悉 MATLAB 语言的使用 2 了解 MATLAB 在电子信息课程中的应用 3 掌握 MATLAB 矩阵输入 运算以及 MATLAB 数值的运算功能 4 掌握各种数据的创建 访问 扩建及缩减 5 熟练利用 MATLAB 语言编程对系统 S 平面分析 1 21 2 社会背景和科技背景社会背景和科技背景 1 2 11 2 1 社会背景社会背景 21世纪将以科学技术的高速发展为特征 中华民族在国际大家庭的地位将取决于我国 的综合国力 高速度高质量地培养千千万万的技术人才 是其中一个十分重要的任务 要做 到这一点 就必须努力地吸取世界上一切优秀的教育思想 教学手段 并创造性地应用于我 们的教学事业 当前 计算机已经被成功地应用于工程设计和制造业中 在发达国家中其普及率已经超 过90 它成倍地提高了劳动生产率 创造了空前巨大的物质文明 它把任何创新思想转化 为市场的商品时间缩短了惊人的程度 新产的种类淘汰之快是 20 年前无法想像的 国际互 联网的广泛应用加快了产业全球化的进程 在这个极具挑战的时代中 把计算机充分运用 到教学及工程计算过程中 显然具有重要的意义 我们知道 计算尺发明于1630年 在大学中计算尺已被使用了 300 多年 大约在 1970 年 左右被计算器完全代替 现在计算器在大学里已使用了30年 它被计算机所代替已是历史 的必然 教学工具的每一次更新都大大地提高了教育的效率 因此 自觉地而不是被动地 加快计算机代替计算器的进程 将对大学教学效率的提高起到重要的作用 在我国随着计算机价格的不断下降和国家对教育投入的加大 学校的装备和学生个人 购买的计算机也越来越多 因此在几年之内 大学生自由地使用计算机设备将能够实现 大 学本科课程中普遍使用计算机的瓶颈将是软件 即使在目前 拥有计算机的教师和学生也 未必知道如何用计算机来帮助他们进行课程教学 因此要从现在起做好准备 为了把计算机更好地用于大学的课程教育和科学研究 从 20 世纪 80 年代开始 出现了 多种科学计算语言 也称为数学软件 经过10多年的发展和竞争 已经商品化的有 常熟理工学院实训报告 3 MATLAB Matrix Maple Mathmatica MathCAD 等 它们的功能大同小异 又各有千秋 就易 学性和普及性而言 首推 MATLAB 语言 1 2 21 2 2 技术背景技术背景 MATLAB是 矩阵实验室 MATRIX LAB ORATORY 的缩写 由美国 MATHWORKS公司推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序设计语言和科学计算软件 适用于工程应用和教学研究等领域的分析设计与复杂计算 与其它计算机语言相比 它 具有语句简洁 编程效率高 强大而简易的绘图功能 有效方便的矩阵和数组运算 尤 其是扩充能力强 正因为这些特点 MATLAB已成为教学研究与工程应用的不可缺少的 助手 自推出后即流行于欧美 MATLAB 语言的首创者 Cleve Moler 教授在数值分析 特别是在数值线性代数的领 域中很有影响 他参与编写了数值分析领域一些著名的著作和两个重要的 Fortran 程序 EISPACK 和 LINPACK 他曾在密西根大学 斯坦福大学和新墨西哥大学任数学与计算 机科学教授 1980 年前后 当时的新墨西哥大学计算机系主任 Moler 教授在讲授线性代 数课程时 发现了用其他高级语言编程极为不便 便构思并开发了 MATLAB MATrix LABoratory 即矩阵实验室 这一软件利用了当时数值线性代数领域最高水平的 EISPACK 和 LINPACK 两大软件包中可靠的子程序 用 Fortran 语言编写了集命令翻译 科学计算于一身的一套交互式软件系统 早期的 MATLAB 是 Fortran 语言编写的 只能作矩阵运算 绘图也只能用极其原始 的方法 即用星号描点的形式画图 内部函数也只提供了几十个 但即使其当时的功能 十分简单 当它作为免费软件出现以来 还是吸引了大批的使用者 Cleve Moler 和 John Little 等人成立了一个名叫 The MathWorks 的公司 Cleve Moler 一直任该公司的首席科学家 该公司于1984年推出了第一个 MATLAB 的商业版本 当时的 MATLAB 版本已经用 C 语言做了完全的改写 其后又增添了丰富多彩的图形图像 处理 多媒体功能 符号运算和它与其他流行软件的接口功能 使得 MATLAB 的功能 越来越强大 The MathWorks 公司于 1992 年推出了具有划时代意义的 MATLAB 4 0 版本 并于 1993 年推出了其微机版 可以配合 Microsoft Windows 一起使用 使之应用 范围越来越广 1994 年推出的 4 2 版本扩充了 4 0 版本的功能 尤其在图形界面设计方 面更提供了新的方法 1997 年推出的 MATLAB 5 0 版允许了更多的数据结构 如单元 数据 数据结构体 多维矩阵 对象与类等 使其成为一种更方便编程的语言 1999 年 常熟理工学院实训报告 4 初推出的 MATLAB 5 3 版在很多方面又进一步改进了 MATLAB 语言的功能 2000年 10月底推出了其全新的 MATLAB 6 0 正式版 Release 12 在核心数值算法 界面设计 外部接口 应用桌面等诸多方面有了极大的改进 虽然 MATLAB 语言是计算数学专家 倡导并开发的 但其普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献 甚至可以说 MATLAB 语言是自动控制领域学者和工程技术人员捧红的 因为在 MATLAB 语言的发 展进程中 许多有代表性的成就和控制界的要求与贡献是分不开的 迄今为止 大多数 工具箱也都是控制方面的 MATLAB 具有强大的数学运算能力 方便实用的绘图功能及 语言的高度集成性 它在其他科学与工程领域的应用也是越来越广 并且有着更广阔的 应用前景和无穷无尽的潜能 子曰 工欲善其事 必先利其器 如果有一种十分有效的 工具能解决在教学与研究中遇到的问题 那么 MATLAB 语言正是这样的一种工具 它 可以将使用者从繁琐 无谓的底层编程中解放出来 把有限的宝贵时间更多地花在解决 问题中 这样无疑会提高工作效率 目前 MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工 程计算的软件工具 现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个 矩阵实验室 了 它已经成为 了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了 有人称它为 第四代 计算机语 言 它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色 1 31 3 实现的具体功能实现的具体功能 信号与系统是信息类专业的一门重要的专业基础课程 是以高等数学和工程数学为 基础 课程中的许多计算和推导 诸如微分 积分 微分方程 差分方程求解 系统分 析 卷积 多项式求根等 借助MATLAB这软件 可以简化求解 快速分析 得出有助于 理解的 形象逼真的图像与图形 因此MATLAB在信号与系统中的应用十分广泛 在信号与系统中 经常遇到复杂的结构框图 结构框图中出现相互交叉的模块 要 求我们根据系统的模拟框图求系统函数 通常我们运用梅森公式来求解 十分的麻烦 一不小心则全部出错 MATLAB 提供了处理的方法 可靠 准确 大大简化了繁琐的计算 过程 常熟理工学院实训报告 5 第二章第二章 课题基本概念和原理课题基本概念和原理 2 12 1 MATLABMATLAB MATLAB是目前国际上最流行 应用最广泛的科学与工程计算软件 它由MATLAB语言 MATLAB工作环境 MATLAB图像处理系统 MATLAB数据函数库 MATLAB应用程序接口五大 部分组成的集数值计算 图形处理 程序开发为一体的功能强大的系统 它应用于自动 控制 数学计算 信号分析 计算机技术 图像信号处理 财务分析 航天工业 汽车 工业 生物医学工程 语音处理和雷达工程等各行业 也是国内高校和研究部门进行许 多科学研究的重要工具 MATLAB的基本数据单位是矩阵 它的指令表达式与数学 工程中常用的形式十分相 似 故用MATLAB来解算问题要比用C FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多 MATLAB 是 矩阵实验室 MATrix LABoratoy 的缩写 它是以矩阵运算为基础的交互式程序语 言 能够满足科学 工程计算和绘图的需求 与其它计算机语言相比 其特点是简洁和 智能化 适应科技专业人员的思维方式和书写习惯 使得编程和调试效率大大提高 它 用解释方式工作 键入持续后立即得出结果 人机交互性能好 易于调试并被科技人员 所乐于接受 特别是它可适应多种平台 并且随着计算机硬软件的更新及时升级 因此 MATLAB语言在国外的大学工学院中 特别是频繁进行数值计算的电子信息类学科中 已 经成为每个学生都掌握的工具了 它大大提高了课程教学 解题作业 分析研究的效率 2 22 2 系统系统 S S 平面分析的基本理论平面分析的基本理论 MATLAB在系统S平面分析中 一般是求系统函数的零极点分布图 画单位冲激响应和 幅频响应的图形 通常按常规方法这些波形很难画出 但是应用MATLAB就可简便快捷的 画出图形 使系统的分析更加便捷 例如 已知系统函数为H 利用MATLAB画出该系统的 零极点分布图 求出该系统的单位冲激响应和幅频响应 并判断系统的稳定性 源程序如下 program 2 Impulse response amp itude 常熟理工学院实训报告 6 fequency response and stability analysis of LTI H s Bum 1 den 1 2 2 1 sys tf Bum den poles roots den figure 1 pzmap sys t O 0 02 10 h impulse Bum den t figure 2 plot t h xlabel t s ylabel h t title Im pulse Response H W freqs Bum den figure 3 plot W abs H xlabel ang freq omega rad s yla bel H j omega title Magnitude Respone grid on 程序运行的结果如图一 图二 图三所示 图一 系统函数零极点分布图形 常熟理工学院实训报告 7 图二 系统的单位冲激响应 图三 系统的幅频响应 常熟理工学院实训报告 8 第三章第三章 系统设计和实现系统设计和实现 3 13 1 采用的软件及开发平台采用的软件及开发平台 MATLAB7 0 计算机 3 23 2 系统的详细设计系统的详细设计 3 2 13 2 1 MATLABMATLAB 中系统中系统 S S 平面分析的基本函数平面分析的基本函数 a Laplace 拉普拉斯变换 语法 laplace F laplace F t fourier F w z 简介 L laplace F 表示对 F 函数关于默认自变量 t 做拉普拉斯变换 默认结果是关于 s 的 函数 拉普拉斯变换完成了时域函数到频域函数的转换 L laplace F t 会令 L 为 t 的函数 而非默认的 s L laplace F w z 规定 F 是关于 w 的函数 而 L 是关于 z 的函数 b ilaplace 拉普拉斯逆变换 用法 F ilaplace L F ilaplace L y F ilaplace L y x 简介 F ilaplace L 将 L s 变换成 F t F ilaplace L y 将 L s 变换为 F y 而非 F t F ilaplace L y x 将 L y 变换为 F x 3 2 23 2 2 分析与实现分析与实现 1 1 由系统函数零 极点分布决定时域特性 由系统函数零 极点分布决定时域特性 当 H s 极点 一阶 中和的取值为 pj 0 06 0 03 0 06 常熟理工学院实训报告 9 时 画出对应于 h t 波形 并分析波形 0 5 0 25 0 解解 首先 根据 s 域的函数 H S 做拉普拉斯逆变换求出时域函数 h t 绘制 h t 的 图形 代码及波形图如下 1 clear clc 2 clear clc 3 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 06 0 5 j H 1 s 0 06 0 25 j H 1 s 0 06 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 4 clear clc 5 clear clc 6 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 03 0 5 j H 1 s 0 03 0 25 j H 1 s 0 03 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 7 clear clc 8 clear clc 9 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 5 j H 1 s 0 25 j H 1 s h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 常熟理工学院实训报告 10 10 clear clc 11 clear clc 12 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 03 0 5 j H 1 s 0 03 0 25 j H 1 s 0 03 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 13 clear clc 14 clear clc 15 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 06 0 5 j H 1 s 0 06 0 25 j H 1 s 0 06 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 2 2 由系统函数零 极点分布决定频率特性 由系统函数零 极点分布决定频率特性 若 H s 零极点分布如图 1 所示 讨论他们是何种类型的滤波器 画出其幅频特性曲 线 常熟理工学院实训报告 11 0 j a 0 j b 0 j c 0 j d 0 j f 0 j 0 j 0 j e 1 j 1 j 1 j 1 j 2 j 2 j 2 j 2 j 系统零极点分布图 a a 低通滤波器低通滤波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 0 w2 0 k 0 H 1 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H b b 低通滤波器低通滤波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 0 w2 0 k 0 H w 3 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H 常熟理工学院实训报告 12 c c 低通滤波器低通滤波器 clear clc w 0 0 01 5 H w 3 w i 1 w i 2 plot w H d d 带通滤波器带通滤波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 2 w2 2 k 0 H w w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H 常熟理工学院实训报告 13 e e 高通滤波器高通滤波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 2 w2 2 o1 3 o2 3 k 0 H w o1 w o2 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H grid on f f 高通滤波器高通滤波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 2 w2 2 o1 3 o2 3 k 0 常熟理工学院实训报告 14 H w o1 w o2 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H grid on 第四章第四章 总结