计算机仿真上机实训指导书

1、计算机仿真上机实训指导书实训 1：矩阵的建立和运算1.1实训目的1.1.1 通过上机启动 MATLAB 软件，熟悉软件的界 面和菜单；1.1.2 掌握变量名的命名规则；1.1.3 熟练矩阵的建立；1.1.4 掌握矩阵的关系运算和掌握常用的矩阵运算指 令；1.1.5 熟悉文件的操作。1.2 实训示例【例1-1】矩阵输入Time = 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10X_Data = 2.32 3.43 ；4.37 5.98【例1-2】矩阵运算g = 1 2 3 4；h = 4 3 2 1 ；si = g + h, s2 = g.*h, s3 = g.Ah , s4 = g.A2

2、, s5 = 2.Ah【例1 -3】矩阵运算A=2 0 -;1 3 2; B=1 7 -;4 2 3;2 0 1;M = A*B%矩阵A与B按矩阵运算相乘X = A/B% A/B = A*B-1 ,即XB=A ，求 XY = BA% BA = B-1*A ,即BY=A ，求 Y1.3实训练习1.3.1 练习数据和符号的输入方式，将前面的命令在 命令窗口中执行通过。1.3.2 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*B A.*B AA2 A.Q B/A B./A。1.3.3 查找已创建变量的信息,删除无用的变量。1.3.4利用函数产生3 X 4阶单位矩阵和全部元素都 是4.5的4X 4阶常数矩阵。1.3.5 利用画图软件画一副画,存盘后,读入MATLAB 工具空间,将它改名字改格式另存。实训 2：数据和函数的可视化2.1实训目的2.1.1 掌握二维平面图形绘制函数的应用；2.1.2掌握图形修饰及控制函数，能够使用这些函数 对实验数据进行图表化处理，能够利用不同颜色、线 条和模块绘制图形；2.1.3熟悉三维图形绘制函数的应用，了解三维曲面 绘制函数。2.2实训示例【例2-1】把

4、当前窗口分成四个区域，用不同颜色的 线和线条绘制sin(x), cos(x)， ex, log(x)的函数图形，并加 入文字标示和网格。参考程序：x=0:0.01:pi;y1=x；例2-1程序运行结果y2=x.*x;y3=x.*s in( x);y4=exp(x);subplot(221);plot(x,y1,b-);title(x);grid on subplot(222);plot(x,y2,m-.);title(xA2);grid on subplot(223);plot(x,y3,k:);title(xsin(x);grid on subplot(224);plot(x,y4,r-);

5、title(eAx);grid on【例2-2】绘制三维曲线，当x=sin(t)，y=cos(t)时，空间高度的函数为z=sin(t)cos(t)t，请表示该图形，并绘制网格线，对各轴加说明参考程序：t=0:pi/100:2*pi; x=si n(t); y=cos(t);z=s in( t).*cos(t).* t; plot3(x,y,z);grid on; xlabel(x 轴); ylabel(y 轴); zlabel(z 轴);2.3实训练习O2.3.1把当前窗口分成四个区域，用不同颜色的线和 线条绘制x，x2， x2,xsin(x)的函数图形，并加入文字标示 和网格。2.3.2在极

6、坐标中绘制函数cos(t)sin(t)，t 0 2区间的曲 线图。2.3.3绘制该分段函数的图形x0x1f(x)讦1x42x4x102.3.4使用MATLAB画一个圆心在原点、半径等于10的圆，并在圆周上依顺时钟方向取任意四点A、B、C、D。2.3.5请用surf指令画出下列函数的曲面图：z x exp( x2 y2)其中x在2 2间共等切分为21点，y在1 1间共 等切分为21点，所以，此曲面共有 21 X 21=441个 点。2.3.6个空间中的椭球可以表示成下列方程式:请使用任何你可以想到的方法，画出三维空间中的一个平滑的椭球，其中a = 3， b = 4， c = 8。2.3.7画直径

7、为30的球面，在同一个窗口，分别使用 两种不同的光源和平滑处理，表示出光源点。2.3.8某班计算机考试成绩，90分以上的同学有8人, 80分至90分的同学有25人，70分至80分的同学有15人, 60分至70分的同学有12人，60分以下的同学有9人，请 用图形表示，并让不及格的人数突出显示。实训3:编程操作3.1实训目的3.1.1掌握M文件的建立，熟悉 M文件的调试3.1.2掌握if，switch，while，for几种程序流程语句3.1.3熟悉函数文件的基本结构及函数调用3.2实训示例例：求下面这个分数序列前20项之和参考程序：x=2;y=i;sum=0;for i=1:20 sum=sum

8、+x/y; t=x;x=x+y; y=t;endsum3.3实训练习3.3.1编写程序，计算1+3+5+7+(2n+1)的值(用 input语句输入n值)。3.3.2 已知 S 1 2 22 23 .263，求 S的值3.3.3编写程序，计算如下的分段函数0x 5f(x)专 5 X 102xx 10计算出 f( 3) ,f(99),f(12)的值。3.3.4分别用for和while循环结构编写程序并计算100 2(2n 1)n 13.3.5将10个学生5门功课的成绩存入矩阵P中，进行 如下处理：分别求每门课的最高分，最低分及相应的学生 序号；分别求每门课的平均分和标准方差；5门课总分的最高分，

9、最低分及相应学生序号；将5门课总分按从大到小顺序存入zcj中，相应学 生序号存入xzcj中。备注：英语：88 78 91 657293739182 67高数：79 68 85 726787817978 71马思：82 61 88 718289789076 65制图：78 68 86 687885778873 80化学：87 82 76 878578917780 58实训4:系统建模4.1实训目的模型运算4.1.1掌握动态系统仿真的 MATLAB建模及相关的4.1.2掌握MATLAB在机电系统建模中的应用。4.2实训示例例：对下图4-1所示的质量-弹簧-阻尼机械系统， m=5kg， k=2N/m

10、，c=0.1N/m.s-1，建立 MATLAB 状态 空间模型。图4-1参考程序:%对机械系统建立MATLAB状态空间模型m=5;k=2;c=0.1;A=0,1;-k/m,-c/m;B=O,k/m;C=1,0；D=0;sys=ss(A,B,C,D)4.3实训练习4.3.1试用MATLAB语言表示图4-2所示系统。当 分别以y=x2和f为系统输出、输入时的传递函数模型 和状态空间模型。图中 ，k 7N /m， c1 0.5N /ms1， c2 0.2N / m s 1， m13.5kg ， m25.6kg。4.3.2试用MATLAB语言分别表示图4-3所示系统 质量m1、m2的位移X1、X2对输

11、入f的传递函数X2(s)/F(s) 和 X1(s)/F(s)，其中 m1=12kg，m2=38kg，k=1000N/m， c=0.1N/m.s-1。图4-2实训5:系统时间响应及其仿真5.1实训目的5.1.1掌握数字仿真的基本方法5.1.2掌握Matlab的用于仿真的主要函数及其应用5.1.3掌握采样控制系统仿真方法5.2实训示例例：系统阶跃响应编写一个简单的M文件，计算二阶动态系统的阶跃 响应，Z值从0.1到1,且绘制出一簇阶跃响应曲线。 二阶动态系统的数学模型如下：2G(s)ns22 nS分别设固有频率为1、2参考程序:%progsy21.mw=1; y=zeros(200,1);i=1;

12、 num=w*w;for zeta=0.1:0.1:1den=1,2*zeta*w,w*w; t=0:0.1:19.9;y(:,i)=step( nu m,de n, t); i=i+1;endmesh(fliplr(y),120 30) zlabel(Y) ylabel(t)xlabel(zeta)grid5.3实训练习5.3.1系统建模、模型转换及仿真用MATLAB语言表示图5-1所示系统的模型，并给出 三种模型的具体表达；进行单位阶跃响应和周期为30s的方波响应。实训6：系统频W 120 |yJ(J+2 )(s + !06.1实训目的掌握频图5-1主要的仿真指令率响应及其仿真练习域仿真的

13、方法和6.2实训示例例：系统频率特性分析已知单位负反馈系统的开环传递函数为KGW s(10.1s)(10.5s)绘制当k=5、30时系统的开环Bode图，计算幅值 裕度、相位裕度，并分析对应闭环系统的稳定性；利用图形属性功能，在开环Bode图上，显示幅值 裕度、相位裕度；绘制对应闭环系统的阶跃响应曲线，显示动态性 能参数。参考程序：教材中，例73、4、5的程序。6.3实训练习系统分析图形用户界面使用练习已知单位负反馈系统的开环传递函数为Gk(s)20(s 5)(s 40)s(s 0.1)(s 20)2利用系统分析图形用户界面 LTI View，分析系统的脉 冲响应、阶跃响应和频率特性。实训7:

14、控制系统的综合与校正7.1实训目的掌握控制系统的综合与校正的方法。7.2实训示例设液压速度控制系统如图7-1所示，其特征参数为 h 200 rad/s， h 0.1， k。 201/s。所需的穿越频率为 c 20rad/s，试确定RC无源网络的时间常数 T或转折 频率c，并求该速度控制系统的开环频率特性及阶跃响 应曲线。图7-1阀控液压马达速度控制系统方框图解：根据所需的穿越频率c 20 rad/s及速度开环增益K。201/s，由式可得c2011 1 K。20则图7-1所示的速度控制系统通过 RC无源网络校正后的开环传递函数为G(s)H(s)20(s 1)20020.2s200该速度控制系统的

15、SIMULINK 仿真模型如图7-2所示，取程序名：It600.mdl%开环伯德图程序 num=20;den=co nv(1,1,1/2 00八2,0.2/200,1); sys=tf( num,de n); bode(sys)TidPTy Fcii120p1/2MAs210.1/200*4-1Travel hail图7-2速度控制系统的 SIMULINK 仿真模型in.列 star 9 J 5；ishMerjn （迫| F 03；M 1rr4urvrOlvtirivi JXl :口口se- Lasp 3aUe-7 Yes-5D-IDO.P=L?MSrftm mF rquert y r*d*c

16、 $ 20 :!； ：；：； “拉屮COTTS : T- m nn- - =一-rISOt?L :卩00.1O.Z0-304图7-3速度控制系统的仿真结果其开环频率特性及阶跃响应曲线如图7-3所示。由图7-3可知，校正后的速度控制系统的幅值裕度Kg 6.03 dB，相位裕度91.7，穿越频率c 2orad/s，系统稳定，但存在一定的稳态误差。7.3实训练习图7-4系统原理图7.3.1试判断如下图7-4所示速度控制系统的稳定 性，并选定适当的校正方法使本系统正常工作。要求 采用MATIAB语言编程绘制校正前后的系统 Bode图, 并进行动态响应的时域仿真。（图7-5为该系统方块图）测速机升速齿轮

17、图7-5系统方块图实训8 SIMULINK 动态仿真8.1实训目的8.1.1熟悉主要模块库中的模块；8.1.2熟悉Simulink仿真框图的绘制方法，初步掌握 常用模块的参数设置方法。8.2实训示例例：有初始状态为0的二阶微分方程x 0.2x 0.4x 0.2u(t), 其中U(t)是单位阶跃函数，试建立系统模型并仿真。参 考建模：用积分器直接构造求解微分方程的模型。8.3实训练习8.3.1系统的频率响应演示按图8-1所示框图，构造Simulink仿真框图，改 变输入正弦信号的频率进行频率响应演示。改变系统 的前向通道中的传递函数进行频率响应分析。 绘制的 图，并附 结果；响应的特点。8.3.

18、2曲柄滑块机构的运动学仿真Clod*C ispl j/Sine WaveInterdtor Tia FsrScope绘出自己 仿真框 上仿真的图8-1分析频率(参考教材第199页)图8-2所示为一标有连接件编号和位置角度的曲柄滑块机构示意图。连杆的长度2、心已知，曲柄输入角速度或角加速度已知序和仿实真框图,训要求:构造Simulink仿并附上编写的程图8-2曲柄滑块机构简图真的结果;(2)如果 将simulink模型中的示波器改为TOworkspace模块，其他参数不变，分别绘制滑块位移 曲线、滑块速度运动曲线。833直流电动机闭环调速系统框图仿真 已知晶闸管一直流电动机单闭环调速系统的动态 结构图，如下图8-3所示。其中，电枢电阻Ra= 0.5愆 系统主电路总电阻 R= 1Q,额定磁通下的电机电动势 转速比Ce= 0.1925Vmin/r，电枢回路的电磁时间常数Ta= 0.017