机电系统仿真技术的课件

1、机电系统仿真技术1机电系统仿真技术 电话： 邮箱：机电系统仿真技术2课程内容简介9-1.Matlab简介，绘制图形，M文件编制9-2.Simulink基础9-3.Simulink子系统创建与封装9-4.基于Matlab控制系统数学建模9-5.电液伺服系统仿真9-6.模糊控制基础9-7.系统辨识9-8.实验9-9.总结、作业机电系统仿真技术3参考书目： 1.MATLAB/Simulink与液压控制系统仿真2. MATLAB/Simulink与控制系统仿真机电系统仿真技术49-1.内容Matlab简介绘制图形M文件编制机电系统仿真技术5Matlab的学习方法必须做大量练习，熟悉其中的函数联系和自己

2、相关的课题，深刻体会多看帮助文件，一本好的参考书会提问题，寻求大家的帮助记住：Matlab可以做很多事情机电系统仿真技术6学会Matlab将改变你的一生网络对你的改变将远远的超过一台独立的计算机机电系统仿真技术7OK, Now begin机电系统仿真技术8第一讲 MATLAB简介 概述 MATLAB基本使用机电系统仿真技术9一、概述matlab语言是由美国的Clever Moler博士于1980年开发的设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问题 MATLAB名字是由Matrix和Laboratory两个词的前三个字母组合而成的,矩阵实验室的意思机电系统仿真技术10它将一个优秀软件的易用

3、性与可靠性、通用性与专业性 、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设计语言容易机电系统仿真技术11MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编语言的关系一样计算机语言的发展数值运算解析运算管理、可视化智能化标志着计算机语言向“智能化”方向发展，被称为第四代编程语言。机电系统仿真技术121.1 学习Matlab的基本原因不希望学生在编程上化太多时间，课程目的不是学习编程社会化的运行带来的好处：合理利用可以节约大量的时间为什么相同的时间别人比自己做出了更多的事情：硕士论文调查结果面向对象的思想带来巨大的好处紧密结合科学的前沿From B

4、BS:博士论文=Matlab+word 机电系统仿真技术131.2 Matlab的版本演化Matlab 1.0Pc matlab-matlab 386Matlab3.5+simulinkMatlab 4.0：simlink内嵌:1993年Matlab 5.0 :全面的面向对象：1995年Matlab 5.15.3：1997年Matlab 6.0:2000.10Matlab 6.5：购并了MATRIXx：2002.8Matlab 7.0:2004年机电系统仿真技术141.3 MATLAB特点高度适应性、开放性：MATLAB的工具箱可以任意增减，任何人可以自己生成MATLAB工具箱可扩充性： MA

5、TLAB的函数大多为ASCII文件，可以直接编辑、修改基于矩阵运算的工作平台。多版本：windows/unix/dos/Macintosh极多的工具箱。机电系统仿真技术151.4 Matlab能做什么工业研究与开发数值分析和科学计算方面的教学与研究数学教学，特别是线性代数电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究机电系统仿真技术16例1.4.1 用一个简单命令求解线性系统 3x1+ x2 - x3 = 3.6 x1+2x2+4x3 = 2.1 -x1+4x2+5x3 = -1.4A=3 1 -1;1 2 4;-1 4 5;

6、b=3.6;2.1;-1.4;x=Abx = 1.4818 -0.4606 0.3848对于线性系统有Ax=b机电系统仿真技术17例1.4.2 用简短命令计算并绘制在0 x6范围内的sin(2x)、sinx2、sin2x。x=linspace(0,6)y1=sin(2*x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2;plot(x,y1,x, y2,x, y3)机电系统仿真技术18例1.4.3 用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形MATLAB语言的功能：机电系统仿真技术191.5 MATLAB语言的功能：强大的数值（矩阵）运算功能广泛的符号运算功能高级与低级兼备的图形功能（计算结

7、果的可视化功能）可靠的容错功能应用灵活的兼容与接口功能信息量丰富的联机检索功能机电系统仿真技术201.5.1矩阵运算功能MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算的处理工具。变量 矩阵，运算 矩阵的运算例如 C = A + B ，A,B,C都是矩阵,是矩阵的加运算即使一个常数，Y=5，MATLAB也看做是一个11的矩阵机电系统仿真技术211.5.2符号运算功能符号运算即用字符串进行数学分析允许变量不赋值而参与运算用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、二重积分、有理函数、微分方程、泰乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号解机电系统仿真技术221.5.3丰富的绘图功能与计算结果的可视

8、化具有高层绘图功能两维、三维绘图具有底层绘图功能句柄绘图使用plot函数可随时将计算结果可视化机电系统仿真技术231.5.4图形化程序编制功能动态系统进行建模、仿真和分析的软件包用结构图编程，而不用程序编程只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能机电系统仿真技术241.5.5丰富的MATLAB工具箱MATLAB主工具箱符号数学工具箱SIMULINK仿真工具箱控制系统工具箱信号处理工具箱图象处理工具箱通讯工具箱系统辨识工具箱神经元网络工具箱金融工具箱机电系统仿真技术25Matlab产品家族Matlab扩展支持在matlab中对系统的实施和开发。工具箱：专用的函数库，解决特定领域的问题。Simu

9、link非线性系统仿真Blockset是专门为simulink建立的模块。机电系统仿真技术26Matlab是所有系统工具的基础机电系统仿真技术271.5.6MATLAB的兼容功能可与C语言、FORTURE语言跨平台兼容机电系统仿真技术281.6 网络资源 网络上的工具箱 机电系统仿真技术29二 MATLAB使用基础1、MATLAB 6.5 操作入门2、命令行基础3、MATLAB的变量及管理4、MATLAB的函数机电系统仿真技术30将源光盘插入光驱；在光盘的根目录下找到Matlab的安装文件setup.exe及安装密码；双击该安装文件后， 按提示逐步安装；安装完成后，在程序栏里便有了Matlab

10、选项，桌面上出现Matlab的快捷方式；双击桌面上Matlab的快捷方式或程序里Matlab选项即可启动Matlab。1、Matlab的安装与启动（Windows操作平台）（一）MATLAB 6.5 操作入门机电系统仿真技术31机电系统仿真技术322、Matlab 6.5 环境菜单栏-单击即可打开相应的菜单；工具栏-使用它们能使操作更快捷；Command Window（命令窗口)-用来输入和显示计算结果，其中符号“”表示等待用户输入；Launch Pad（分类帮助窗口)；Workspace（工作区窗口)-存储着命令窗口输入的命令和所有变量值；Command History（历史纪录窗口)-记录

11、着每次时间及运行过的所有命令行；Current Directory（当前目录选择窗口）。机电系统仿真技术33命令窗口菜单栏工具栏分类帮助窗口历史纪录窗口机电系统仿真技术343、Mat lab的帮助系统（1）帮助命令help；（2）帮助窗口。进入帮助窗口的步骤如下Launch Pad(分类帮助窗口）选中“Help”打开机电系统仿真技术35机电系统仿真技术36（二）命令行基础1、简单的运算步骤如下：（1）用键盘在命令窗口输入以下内容： (12+2*(7-4)/(32)（2）按Enter键，该指令就被执行。（3）命令窗口显示所得结果：ans = 2 机电系统仿真技术372、Matlab表达式的输入M

12、at lab语句由表达式和变量组成，有两种常见的形式：（1）表达式 ；（2）变量=表达式（1）输入：（2）按 Enter 键。（3）显示： y=(12+2*(7-4)/(32)y = 2机电系统仿真技术38（1）输入：（2）按 Enter 键。（3）显示： x=3 y=x3-x(1/4)+2.15*sin(x)y = 25.9873机电系统仿真技术393、指令的续行输入若一个表达式在一行写不下，可换行，但必须在行尾加上四个英文句号。（1）输入：（2）按 Enter 键。（3）显示： s=1-1/2+1/3-1/4+1/5-1/6.+1/7-1/8s = 0.6345机电系统仿真技术40例如：s

13、in(1/9*pi)+sin(2/9*pi)+sin(3/9*pi)+sin(4/9*pi)+sin(5/9*pi)+sin(6/9*pi)+sin(7/9*pi)+sin(8/9*pi)+sin(9/9*pi)+ans=5.6713 机电系统仿真技术414、用可用于调出前一个命令行输入： y1=2*sin(0.3*pi)/(1+sqrt(5)y1 = 0.5000 机电系统仿真技术42注意：（1）当命令行有错误，Matlab会用红色字体提示；（2）同一行中若有多个表达式，则必须用分号或逗号隔开，若表达式后面是分号，将不显示结果。（3） 输入为：机电系统仿真技术43机电系统仿真技术44（三）M

14、at lab的变量及管理1、变量名的命名规则（1）以字母开头，后面可跟字母、数字和下短线；（2）大小写字母有区别；（3）不超过31个字符。Example：fun, Zheng12机电系统仿真技术45MATLAB变量的命名all variables are stored in 32bit floating point formatno distinction between real and integera = 3;a = 3.0;same assignment for “a”Matlab is case sensitiveA=3;a=2;Aa机电系统仿真技术46MATLAB变量的命名can

15、use numbers and underscore in variable namescase34=6.45;names must start with a lettercase_34=6.45;OK34case=23.45;results in a syntax errorstring (text) variables enclosed in single quotes.The variable is stored as array of characterstitle=This is the title;机电系统仿真技术47to clear a variable from memorya

16、=4clear aif a variable is defined,typing the variable name returns its valuea=45.57;a = 45.57Matlab returns the valueaMATLAB变量的命名机电系统仿真技术48Matlab will “echo” commands unless a semi-colon is useda=23.2;a=23.2a = 23.2Matlab echoes the commandMATLAB变量的命名机电系统仿真技术49Vectorscolumn vectorsrow vectorsa=1;2;3

17、;aa = 1 2 3a=1,2,3;aa = 1 2 3use semi-colon to separate rowsuse comma to separate columnsMATLAB变量的命名机电系统仿真技术50Matrices2-dimensional matricesa=1,2,3;4,5,6;aa = 1 2 3 4 5 6again, separate columns with commas and rows with semi-colonsMATLAB变量的命名机电系统仿真技术512、Matlab的预定义变量机电系统仿真技术523、Mat lab的变量管理（1）who-查询M

18、at lab内存变量； whos-查询全部变量详细情况。（2）clear-清除内存中的全部变量。（3）save sa X -将X 变量保存到sa.mat文件。（4）load sa X -调用sa.mat文件中变量X 。注意：save只对数据和变量保存，不能保存命令。机电系统仿真技术53机电系统仿真技术54机电系统仿真技术55（四）Matlab的函数机电系统仿真技术56机电系统仿真技术57机电系统仿真技术58（五）Mat lab 数组与矩阵-数组一、数组的构造1） 直接法：用空格或逗号间隔数组元素，然后用中括号括（ ）起来。 例5-1： x=0 2 4 6或 x=0 ,2,4 ,6 2）增量法（

19、冒号法）：利用冒号运算符“：”可生成1n 的矩阵。格式：x=first:step:last %初值：增量：终值例5-2：x=10:15 x=1:6.3 x=10:5:30 x=9:-1:1 (不能表示为x=9:1 )默认时，创建增量为1的序列。3）linspace函数法 格式：x=linspace(first，last，num) %初值：终值：元素个数需指定首尾值和元素个数，步长h=(last-first)/(num-1) 例5-3：x=linspace(0:10:5)机电系统仿真技术59（五）Mat lab 数组与矩阵 -数组二、数组的运算注：点运算只有点乘、点乘方、点除三个，表示对应元素之

20、间的运算；（.*）是一个整体，点（ .）不能漏掉，（ .）和（*）之间也不能有空格。例5-4：已知a=1 2 3，b=2 4 6，c=3；分析下列执行结果：a=1 2 3; b=2 4 6; c=3;a+b=3 6 9a-b =-1 -2 -3 a+c=4 5 6 a*c=3 6 9 a.*b=2 8 16 a.b=12 24 36 a.b =2 2 2 a./b =0.5 0.5 0.5 a.c=13 23 33 c.a=31 32 33机电系统仿真技术60（五）Mat lab 数组与矩阵-矩阵一、矩阵的创建a在命令窗口中创建 b通过函数创建例5-5： 例5-6：x=1 2 3;4 5 6;

21、7 8 9 x=0:pi/4:2*pi; y=sin(x)x= 1 2 3 4 5 6 7 8 9c通过数据文件创建，在命令窗口或程序中调入。例如使用产生数据，保存为c:bdat.xls，在Matlab的Files菜单选Import Data，找到文件c:bdat.xls，打开，就将表格中数据作为二维数组赋予变量bdat。d通过M文件创建，在命令窗口或程序中执行中。机电系统仿真技术61（五）Mat lab 数组与矩阵-矩阵e特殊矩阵的生成全零阵 zeros (m,n) 全1阵 ones(m,n) 单位阵： eye(n) 对角矩阵：diag(a,n) 魔方矩阵：magic(n)f获取矩阵的元素

22、A(row,column)例3-6：H=magic(5)H(3,2) 6 H(3,2)=0 H(:,3:5) %表示取H的第3到第五列组成的矩阵V=1 3 5 B=H(V,4) %表示取H的第4列的第1,3,5个元素组成的矩阵c=H(V,:) %表示取H的第1,3,5行组成的矩阵机电系统仿真技术62（五）Mat lab 数组与矩阵-矩阵g获取矩阵的信息 length(列数) size (行和列数) ndims(维数) numel(元素个数)例3-7： a=1 2 3;2 6 9length(a) 3 size(a) 2 3 ndims(a) 2 numel(a) 6 b=1 2 3 6 9le

23、ngth(b) 5 size(b) 1 5 ndims(b) 2 numel(b) 5机电系统仿真技术63（五）Mat lab 数组与矩阵-矩阵二、矩阵的运算 例3-8：已知A=1 2;3 4，B=4 3;2 1，c=3；分析下列执行结果：100+A ans = 101 102 103 104A*Bans = 8 5 20 13A.*Bans = 4 6 6 4 ABans = -6.0000 -5.00005.0000 4.0000 B/Aans = -3.5000 2.5000 -2.5000 1.5000 A.Bans = 4.0000 1.5000 0.6667 0.2500 B./A

24、ans = 4.0000 1.50000.6667 0.2500机电系统仿真技术64（六）Mat lab基本运算符1、算术运算符机电系统仿真技术65MATLAB 运算Basic operationsaddition +subtraction -multiplication *division right division / left division a=3;b=4;c1=a/b;c2=ab;?c1=0.75c2=1.3333.so, be careful!机电系统仿真技术66Mixed Real and Complex valued Variablesif both variables a

25、re real-valued, a real-valued result is obtainedif one variable is complex-valued, Matlab recasts the real variable as complex and then performs the operation. The result is complex-valued however, the type casting is done internally, the real-valued variable remains real after the operationMATLAB 运

26、算机电系统仿真技术67MATLAB 运算Other (Scalar) OperationsMath representationMatlab interpretationz=yx;y=exp(x);y=log(x);y=log10(x)y=sin(x);y=cos(x);y=tan(x);y=asin(x);y=acos(x);y=atan(x);机电系统仿真技术68MATLAB 运算Examplesy=x0.5;y=x(1/2);y=sqrt(x);All variables in the preceding operations can be real or complex, negati

27、ve or positivefor x D=A+B;D=A-B;D=A*C;D=C*A;D=A+C;D=A*B;D=B*A;Matrix multiplication not commutative机电系统仿真技术70MATLAB 运算Left() and Right(/) Matrix “division”Math representationMatlab interpretationC=AB;C=B/A;Remember, A must be square and full rank (linearly independent rows/columns)机电系统仿真技术71MATLAB 运

28、算Matrix TransposeMath representationMatlab interpretationC=A;For complex-valued matrices, complex conjugate transposeB=A;b=a;机电系统仿真技术722、关系运算符机电系统仿真技术733、逻辑运算符机电系统仿真技术74作业题机电系统仿真技术75第三讲 MATLAB 编程M文件 简单编程机电系统仿真技术76（二）M 文件1、M文件的建立 M文件，就是用Mat lab语言编写的，可在Matlab里运行的程序。M文件有两大类：命令文件和函数文件。单击“File”选择“New”单击“

29、M-file”输入内容保存机电系统仿真技术772、M命令文件（脚本文件） M命令文件，只是一些命令行的组合，而且其中的所有变量也成为工作区的一部分。(1)打开M文件，输入：x=2.15;y=3.67;z=6.71;sum=x+y+zfun=(x+y+z)/3机电系统仿真技术78机电系统仿真技术79（2）以名ed.m保存，（注意：在保存名处只需输入ed)；M文件窗口即可关闭。（3）在Mat lab命令窗口输入M文件名：ed ，即可出现M文件上结果。机电系统仿真技术80机电系统仿真技术813、M函数文件它就像库函数一样方便的调用。（1）格式function 输出变量=函数名（输入变量）函数体语句（

30、2）注意：（a）输出变量多于一个时，要用方括号；（b）输入、输出变量多于一个时，要用逗号隔开；（c）必须以函数名存盘。机电系统仿真技术82(1)打开M文件，输入：function y=zheng(x)y=x2+3.2*x-1.7（2）输入zheng并保存这个M文件。（3）在Mat lab命令窗口输入：zheng(1.1)，就有其值；输入：zheng(1.3)，就可求出对应的值；依次可求得所有值。机电系统仿真技术83机电系统仿真技术84机电系统仿真技术85七、简单编程1、条件语句 它的执行原理与C语言中条件语句的执行原理完全一样。（1）if 语句体 end（2）if 语句体1 else 语句体2

31、 end机电系统仿真技术86（2）if 语句体1 elseif 语句体2 else 语句体3 end机电系统仿真技术87(1)打开M文件，输入：function y=xy(x)if x=0 y=0elseif x=1 y=1elseif x=2 y=2*xelse y=2*x+5end机电系统仿真技术88机电系统仿真技术89（2）输入xy并保存这个M文件。（3）在Mat lab命令窗口输入：xy(-1)，就有其值；输入：xy(0.7)，就可求出对应的值；依次可求得所有值。机电系统仿真技术90机电系统仿真技术912、循环语句（1）for 循环变量=初值：增量：终值 循环体 end(2) whil

32、e 循环体 end机电系统仿真技术92(1)打开M文件，输入：s=0for n=1:100 s=s+1/n2end（2）输入sg并保存这个M文件。（3）在Mat lab命令窗口输入：sg ，就有其值。机电系统仿真技术93机电系统仿真技术94机电系统仿真技术95第二讲 MATLAB绘图 二维数据曲线图 二维统计分析图机电系统仿真技术96MatLab图形绘制功能基本绘图函数机电系统仿真技术97程序如下：x=0:pi/100:2*pi;y=2*exp(-0.5*x).*cos(4*pi*x);plot(x,y)例3-1：在0 x2p区间内，绘制曲线 3.1.1、绘制单根二维曲线绘图命令Plot(x,

33、y) ，绘制y对应x的轨迹命令机电系统仿真技术98例3-2：绘制曲线 t0,2程序如下：t=0:0.1:2*pi;x=t.*sin(3*t);y=t.*sin(t).*sin(t);plot(x,y);机电系统仿真技术99在这种情况下，当x是实向量时，以该向量元素的下标为横坐标，元素值为纵坐标画出一条连续曲线，这实际上是绘制折线图。x=2 3 1 2 5plot(x)相当于x=1:5y=2 3 1 2 5plot(x,y) 例3-3：plot函数最简单的调用格式只包含一个输入参数：plot(x)机电系统仿真技术1001.plot函数的输入参数是矩阵形式 (1) 当x是向量，y是有一维与x同维的

34、矩阵时，则绘制出多根不同颜色的曲线。曲线条数等于y矩阵的另一维数，x被作为这些曲线共同的横坐标。 x=3 1 8 ; y=magic(3); z=x;y plot(x，z)3.1.2、绘制多根二维曲线y = 8 1 6 3 5 7 4 9 2机电系统仿真技术101x=magic(3)y=1 2 3;4 5 6;7 8 9plot(x，y)(2) 当x,y是同维矩阵时，则以x,y对应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。机电系统仿真技术1022含多个输入参数的plot函数 调用格式为：plot(x1,y1,x2,y2,xn,yn)(1)当输入参数都为向量时，x1和y1，x2和y

35、2，xn和yn分别组成一组向量对，每一组向量对的长度可以不同。每一向量对可以绘制出一条曲线，这样可以在同一坐标内绘制出多条曲线。(2) 当输入参数有矩阵形式时，配对的x,y按对应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。如：在同一坐标轴内绘制三条曲线Plot(t,x1 x2 x3)Plot(t1,x1,t2,x2,t3,x3)表示x1对应t1, x2对应t2等等。这种情况下t1,t2和t3, 可以有不同的元素数量，但要求x1,x2, x3必须分别与t1,t2,t3具有相同的元素数量。机电系统仿真技术103x1=linspace(0,2*pi,100);x2=linspace(0,

36、3*pi,100);x3=linspace(0,4*pi,100);y1=sin(x1);y2=1+sin(x2);y3=2+sin(x3);x=x1;x2;x3;y=y1;y2;y3;plot(x,y,x1,y1-1)当x,y是同维矩阵时，则以x,y对应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。例3-4：分析下列程序绘制的曲线。机电系统仿真技术104在Matlab中，如果需要绘制出具有不同纵坐标标度的两个图形，可以使用plotyy绘图函数。调用格式为：plotyy(x1,y1,x2,y2)其中x1,y1对应一条曲线，x2,y2对应另一条曲线。横坐标的标度相同，纵坐标有两个，左纵

37、坐标用于x1,y1数据对，右纵坐标用于x2,y2数据对。3具有两个纵坐标标度的图形机电系统仿真技术105x=0:pi/100:2*pi;y1=0.2*exp(-0.5*x).*cos(4*pi*x);y2=2*exp(-0.5*x).*cos(pi*x);plotyy(x,y1,x,y2);例3-5:用不同标度在同一坐标内绘制曲线和 。程序如下：机电系统仿真技术106hold on/off命令控制是保持原有图形还是刷新原有图形，不带参数的hold命令在两种状态之间进行切换。4图形保持机电系统仿真技术107例3-5：采用图形保持，在同一坐标内绘制曲线 和 程序如下：x=0:pi/100:2*pi

38、;y1=0.2*exp(-0.5*x).*cos(4*pi*x);plot(x,y1)hold onpausey2=2*exp(-0.5*x).*cos(pi*x);plot(x,y2);hold off机电系统仿真技术1083.1.3 设置曲线样式1、线条和颜色控制符机电系统仿真技术109MATLAB基本绘图 (图像标注)例3-6t=0: 0.01*pi:2*pi; plot(t,sin(t);title(0到2的正弦曲线,FontSize,16); ylabel(sin(t),FontSize,14);xlabel(t=0到2,FontSize,14);text(pi,sin(pi),bulletleftarrowsin(t)=0,FontSize,10); gtext(bullet最小值sin(t)=-1);机电系统仿真技术110MATLAB基本绘图 (多图重叠)有的时候我们需要将多个曲线画在同一幅图上便于比较。这时我们可以使用hold on 和hold off函数来完成。比如：plot(x,y);hold on ;plot(a,b);hold off; 就将曲线x-y和a-b画在同一坐标下了。 机电系统仿真技术111画椭圆a = 0:pi/50:2*pi; X = cos(a)*3; %参数方程Y = sin(a)*2;plo