控制工程MATLAB试验报告

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.64实验步骤及内容.6实验四 控制系统数学模型的MATLAB实现.121实验目的.122实验器材.123实验步骤及内容.12

2、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)*B(2,:) A*BA.*BAA2A.A2B/AB./A(2) .输入C=1:2:20，则C(i)表

3、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).A0.5)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

4、证。5实验报告内容(1) A=7 1 5;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”a

5、ns =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 129315AA2“矩阵 A 叉乘上矩阵 A”ans =6617664233 703813 46A.A2“举证 A 中的元素翻倍”ans =49125425369125 B/A“矩阵 B 除以矩阵 A”ans =0.18420.2105 -0.23680.36840.4211 -0.47370.55260.6316 -0.7105 B./A“两矩阵对应元素相除”ans =0.14291.00000.20001.000

6、00.40000.33331.00003.00000.6000(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).*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”

7、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、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(s.s 11s 39s52s26的

8、部分展开式s4北0s3七5s2+5Qs+24a.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G(卄E7皐 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(co nv(co nv(1 0 0, 3 1),c on v(1 2,1 2), 5 0 3 8)k=1b.再利用tf函数构建传递函数运行结果：22sA+20s + 50G(S)=5432sA +15 sA +

9、84 sA +223sA +240s+1002(3)a.用tf(num,den)函数构建高阶系统传递函数G(S) =_l s415S5484s4223S3+240S+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opnlTLTme |s4rKisjJawrLUJVLrieor SrnulaDr -esut-i（4）绘制单位负反馈的开环传递函数G（S）J（s 1）的伯德图。一心+7）a.写

10、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量和相位裕量。h.程序调试后写入实验报告DDrls Cusgram-snrsFreautncv (nB緘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 = 7.2725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

11、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ztrans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

12、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 zmatlab实现方法 syms k f=sym(2人(-k); F=ztra ns(f)F =z/(z - 1/2)%定义序列 f(k)=2 上%求z变换H(z)二zz23z 2求其冲激响应h(k)。H=sym(z/(zA2+3*z+2);h=iztrans(

13、H,k)%求逆z变换h =(-1)Ak - (-2)AkMATLAB的zplane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)0.1，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) 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)=

14、1,y(-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) y()!zY (z) +zy(_1) +y(-2) =X (Z)，进整理，得2 2x(n) =2“u(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,1丄亠12 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-.-21 Z-Z(ZT一一Z-1Z(Z -1)_2_1(Z 1)(Z)221ZZ二6，因此经过Z 11Z ZZ的逆变化得,7-1)。同理，则零状态激励

15、响应响应的表达式为X(z)二一-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,de nF=numden

16、(F)；%提取分子分母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 北)sYzs(z)2218z z zJ9Jz 1z1 z _2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matla

17、b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“r.+LK(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(

18、j)2s-p(j)qG(s-Bgk为余4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 (s)432s +10s +35s +50s+24解： num=1 11 39 52 26; den=1 10 35 50 24; r,p,k=residue( nu m,de n) r =1.00002.5000-3.00000.5000P =-4.0000-3.0000-2.0000-1.0000G(s)=12.5一3.51所以展开式为：s+4 s+3 s+3 s + 1函数residue也可用于将部分分式合并，其句法为nu m,de n=residue(r,p,k) r=1 2 3 4;p=-1 -2 -3 -4;k=0k =0 nu m,de n=residue(r,p,k)num =10 70