控制系统仿真技术教案

遇黄〃亭忱

《控制系统仿真技术》教案

编者：赵磊

机电与信息工程学院

黄山学院控制系统仿真技术课程教案

授课教师赵磊教研室自动化授课班级11自动化

授课题目MATLAB基础授课类型■理论■实践

课程类别口必修课■选修课口讲座教学课时4课时

授课日期授课地点4317

教学目的

与要求

教学重点教学难点

教学手段

启发式多媒体授课

教学方法（教具与

媒体使用）

思考题与

课后作业

参考资料

进一步联系生活，形成生动教学，强化工程应用的联系，加强

课后小结应用型课程的建设，逐步向项目驱动教学和案例教学转化，使课程

符合“卓越计划”培养标准的要求。

黄山学院自动控制原理课程教案纸

时间

主要教学过程

分配

教学过程:

第一讲MATLAB基础

1.1目的和意义

1.2MATLAB操作界面

&1«14>«22，eUMN3,

碑7gartgurt)«MTLAB7Wverkv©

,f\HOWlOAMf)

nd・》nd<>・

£)oa®®犯

to<»tetar«・4

)ch«p1_1m<SZ7

-6-7X

4c2PL6E10-

累0-»X

工作空间X

10曲-

黑X

kteMPOmm,10.3

118-

tuntflcdmdl日1

当前目录4

命令窗口

dmve«nv((l,l).e«nv((l.I],(I21))

历史窗口bM«(nu».d«n)

ny4uici(nua,dwt)

t*9:0.l*9»:2*pi

ia(n<a^

(7)

(nasdm>

ycl・ia<C.s)

plat(y)

81—W-ITT+如《9—»

1c

ole

<-M-I-9下午1(h09-%

*-0»*l*9T*JOtl«—*

1）命令窗口（CommandWindow）

MATLAB的所有函数和命令都可以在命令窗口中执行。MATLAB命令窗口中的“＞〉”

为命令提示符,表示MATLAB正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令（或语句）

并按下回车键后，MATLAB就会解释执行所输入的命令，并在命令后面给出计算结果。

例：命令窗口输入cosOr/3）指令，然后按回车键，会出现什么结果?

2）历史命令窗口（CommandHistory）

默认设置下历史命令窗口会保留自安装时起所有命令的历史记录，并标明使用时

间，以方便使用者的查询。

Co**andHistory

FileEditDebugDesktopWindowHelp0

a-%—13-12-14下午9:33—%人

:…sys=tf([6030],[191710])

3%—13-12-14下午10:17—%

sys=tf([6030],[191710])

3%—13-12-14下午10:34—%

?…sys=tf([6030],[191710])

3%—14-2-24下午7:34—%

'.cos(pi/3)V

3)当前目录窗口(CurrentDirectory)

在当前目录窗口中可显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件，包括

文件名、文件类型、最后修改时间以及该文件的说明信息等并提供搜索功能。

CurrentDirectory-C:\Docu>entsancLSetting...[kJ回区

FileEditViewDebugDesktopWindowHelp

tsandSettings\Administrator\MyDocuments\MATLABV匕J国首A

AllFiles▲TypeSizeDateModified

Iyarijiyiibdrixi.rriIVI-IIIUiA口ii-o-1□rT4.ui

已stepchar,mM-file1KB13-127下午12:21

画Untitled,asvEditorAutosave1KB11-4-27下午4:12

Untitled,mM-file1KB11-4-27下午4:14

Wuntitled.mdlModel24KB13-5-5上午11:42

ajuntitledl.mdlModel23KB13-5-5上午11:42

QUntitled2.mM-file1KB11-7-12下午5:15

Qxinlisanxitongmaich...EditorAutosave1KB11-8-11下午2:12

Qxinlisanxitongmaich...M-file1KB11-8-11下午2:23

<为

4)工作空间窗口(Workspace)

工作空间在MATLAB运行期间一直存在，关闭MATLAB后自动消失，当运行MATLAB

程序时，程序中的变量将被加载到工作空间中。在一个程序中的运算结果以变量的

形式保存在工作空间后，在MATLAB关闭之前该变量还可以被别的程序调用。在工作

空间窗口中将显示所有目前保存在内存中的MATLAB变量的变量名、数据结构、字节

数以及类型，而不同的变量类型分别对应不同的变量名图标。用户可用命令对工作

空间中的变量进行显示、删除或保存等操作。

【注意】：内存变量的查阅和删除命令

who%查看工作空间中变量的名字

whos%查看工作空间中变量的详细信息

clear/删除工作空间中的所有变量

clearab%删除变量a,b

size(a)/变量的大小

length(a)%求取变量的长度，返回最大维数

例：运行下面MATLAB命令，并查看内存变量。

・>KATLAB7.6.0(R2008a)区|

FileEditDebugParallelDesktopWindowHelp

l言|也、下>9OI"H当❷IDocuments\MATLAB***[..|巨

ShortcutsHowtoAddWhat,>zNew

Yourvariablesare:

abc

[«$七ayt]

G

s1z6

BytesClassAttributes

•

.e

X1X1

mJ8double

o2X3

X48double

23

48double

tartOVR.:

MATLAB7.6.0(R2008a)IS回区

FileEditDebugParallelDesktopWindowHelp

€3|M*0。|IhdmiGiMtr.tcrVMyDocwat3Vm

ShortcutsHowtoAddilWhat'sNew

ans

.23

U

m

»length(b)

--.

a

BD

wd

Mo3

「♦Sit]

1.3MATLAB的帮助系统

1.3.1普通文本帮助

【命令】：help函数名/文件名外显示相关函数/文件的帮助注释区

o>>helpsize

A

XSIZESizeofarray.

O

3

UD=SIZE(X),forM-by-Nmatrix凡returnsthetwo-elementrowvector

3

s乂D=[M,N]containingthenumberofrowsandcolumnsinthematrix.

~

uForN-Darrays,SIZE(X)returnsa1-by^Nvectorofdimensionlengths.

3

x

.Trailingsingletondimensionsareignored.

m

(a_)

J

R

d(工

sXN]=SIZE(X)formatrixreturnsthenumberofrowsandcoluinnsin

w

x

。Xasseparateoutputvariables.

*

[Ml,M2,M3,・・・,MN]=SIZE(X)forN>1returnsthesizesofthefirstN

dimensionsofthearrayX.IfthenumberofoutputargumentsNdoes

notequalNDIMS(X),thenfor:

N>NDIMS(X)3SIZEreturnsonesinthe“extra“variables,i.e.,outputs

NDIMS(X)+lthroughN.

N<NDIMS(X),MNcontainstheproductofthesizesofdimensionsN

throughNDIMS(X).

M=SIZE(X,DIM)returnsthelengthofthedimensionspecified

bythescalarDIM.Forexample,SIZE(X31)returnsthenumber

ofrows.IfDIM>NDIMS(X),Mwillbe1.

WhenSIZEisappliedtoaJavaarray,thenumberofrows

returnedisthelengthoftheJavaarrayandthenumberofcolumns

isalways1.WhenSIZEisappliedtoaJavaarrayofarrays,the

resultdescribesonlythetoplevelarrayinthearrayofarrays.

1.3.2超文本帮助

IZ）回区I

FileEditViewGoFavoritesDesktopWindowHelp

HnIpgatoix..Q2M

S«*rcKCor:j|vTitle：MATLAB

Example:"plottools*ORplot*tools

5

ContentsIndexSearcKRoxultz.DemoxMATLAB

fflReleaseNotes

&◎Installation

土9MATLAB.Functions:HandleGraphics:

iAerospaceToolboxByCategory।ObjectProperties

申BioinformaticsToolboxAlphabeticalList

十CommunicationsToolbox

申。

ControlSystemToolboxWhat'sNew

电CurveFittingToolbox

+多DataAcquisitionToolbox

MATLAB®ReleaseNotes

电&DatabaseToolbox

^DatafeedToolboxSummarizesnewfeatures,bugfixes,upgradeissues,

etc.forMATLAB

申多EmbeddedMATLAB

+FiltfirCaaicnTnnlhnv-

aJ

1.4MATLAB编程基础

基本语法和基本规则

1）变量

【变量（包括函数）命名规则】：

（1）必须以字母开头；

（2）可以由字母、数字和下划线混合组成;

（3）变量长度应不大于31个；

（4）字母区分大小写。

NameValue

田A4

Iffia1

2

zBa_13

【特殊变量工

变量名称功能变量名称功能

ans保存最后一次的运算结果Pi圆周率

realmax最大的浮点数值realmin最小的浮点数值

j虚数单位j虚数单位

inf正无穷大NaN非数(0/0.Inf/Inf)

2）基本数据类型

数据类型（class）举例解释

double（双精度）[1,2;3,4],5+6i最常用的类型

char（字符型）3hello字符数组，每个字符占16位

sparse（稀疏型）speye(5)双精度稀疏矩阵，只存储矩阵中的非。元素

cell（细胞型）{[1,2,3;4,5,6;7,8,9]/hello\eye(2))细胞数组，数组中的每个元素可为不同类型

struct（结构型）a.day=12,a.color=,red3相当于数据库的记录

storage（存储型）unit8(magic⑶)8位型，为无符号整数。最大可表示255,

3）基本语句

赋值变量=表达式

例：

>>

a=(l+sqrt(10))/2

3

”2.0811

4）关于程序编辑

（1）语句可以由分号（：）、逗号（，）或回车（Enter）结束。如果用分号结束。

则左边的变量结果不会显示在命令窗口，否则将显示左侧变量的值。

（2）每行可以写多条语句，语句之间用空格、逗号、分号进行分隔。

（3）用三个或者三个以上的黑点表示“续行”，表示下一行是上一行的继续。

»2,3;...

4,5,6]

A=

123

456

(4)用%表示注释，%开始一直到行末的内容都是注释，注释内容不参与程序运行。

1.5数组(矩阵)

1.5.1一维数组

1、一维数组的创建

(1)逐个元素输入法

JI»a=[1.0,2+2.4i3*pi]%逐个输入数组中的元素值

a

1.00002.0000+2.400019.4248

(2)冒号运算符法

J»b=l:1:5%用国号运算符循环产生数组元素

b=

12345

【注意】：冒号运算符的格式是:a=sl:s2:s3o

其中si是起始值，S2是步距，S3是终止值。

(3)线性分隔法

1inspace(1,5s9)

s=

Columns1through7

1.00001.50002.00002.50003.00003.50004.0000

Columns8through9

4.50005.0000

【注忌】：linspace函数的调用格式为：x=linspace(a,b,,n)□

(4)对数分割法

1>>logspace(0,3,4)

ans=

J1101001000

【注意】：logspace函数的调用格式为：x=logspace(a,b,,n)

生成数组的第一个元素值为10%最后一个元素为10\数组共有n个元素,

&Ib-a乂]

这n个元素依次为=，…“-1。

2、一维数组的访问

【方法】：(1)用下标方式访问数组元素，下标要用一对圆括号()引起来。

(2)下标代表的是元素在数组中的位置序号。

(3)下标可以是常量，也可以是变量。

(4)可以访问数组中的单个元素，也可以访问数组中的某些元素，及数组

的子数组。

例：

口>>x=rand(l,5)%产生1*5的均匀分布随机数组

x=

0.81470.90580.12700.91340.6324

»x(l)%读数组的第一个元素

ans=

0.8147

»x([l,4])%返回数组的第1个和第4个元素构成的子数组

ans=

0.81470.9134

X

(1:3)%返回数组的钱3个元素构成的子数组

0.81470.90580.1270

»x(l)=0%数组的第1个元素赋值0

00.90580.12700.91340.6324

4

xA（end:-l:1）%获得一维数组的倒叙数组

~o1>>

Ian

u£lS

»l口

0.63240.91340.12700.90580

1.5.2二维数组

1、二维数组的创建

【规则】：（1）整个数组必须用□括起来。

（2）数组的行与行之间用分号“：”分隔。

（3）每行之间的元素必须用逗号“，”，或者空格分隔。

（4）分隔符必须是英文字符，即在英文状态下输入分号、括号、方括号、

逗号等。

例：

B

E

E

O»x=[l23;4,56;2*pi,3+i0]

3

A

'X=

o

t

t

o1.00002.00003.0000

4.00005.00006.0000

6.28323.0000+l.OOOOi0

2、二维数组的访问

例：

»A=zeros(2,4)%生成2行4列的全。数组

A

a

§A=

E

5

J

0000

-r

m0000

2

O'

M

二»A(2,4)=4%第2行4列元素赋值为4

a

V

JA=

J

0000

0004

1.5.3多维数组

1、多维数组的创建

（1）直接通过全下标方式进行元素赋值。

（2）用低维数组合成多维数组。

（3）用数组生成函数（ones/zeros/rand等）生成多维数组。

例：

三

工»A(2,2,3)=10凫创建三维(2*2*3)数组

p

sA

i=

。

A

00

-

00

I

O

t

tA(:,:,2)=

o

a

x00

d

s

^00

O

M

A(:,:,3)=

00

010

2、多维数组的访问

(1)可以通过全下标方式访问。对三维数组来说，第一维下标称为“行下标”,

第二维下标称为“列下标”，第三维下标称为“页下标二

(2)数组维数通过ndims函数获取。

(3)数组尺寸通过size函数获取。

(4)数组的所有维中的最大长度通过length函数获取。

>>A=ortes(2,4,3);%创建2/4*3的三维函数

>>size(A)%获取维致A的大川、

ans

243

>>lengtK(A)为荻取数组A的最长雉数的长度

ans

et

d

s4

十

10

>>ndims(A)%缺得数组A

1.5.4数组操作

1、标准数组的生成

(1)ones一一生成全1数组，即数组中的元素都为1

【调用格式工

Y=ones(n)%生成n*n的全1矩阵

Y=ones(size(A))/生成和数组A同样尺寸的全1数组

(2)zeros-----同ones函数相似

(3)rand——生成均匀分布随机数组

(4)randn----生成正态分布随机数组

(5)eye----产生单位矩阵

1.6数组运算与矩阵运算

【定义】：数组运算是指对数组中的每个元素进行相同的运算，注意数组运算的行

与列必须相同。数组运算可以通过MATLAB提供的运算符和数组运算函数实现。

矩阵运算是则遵循线性代数的一般规则。

两标量间的数学运算符

运算符代数形式MATLAB形式

加号A+BA+B

减号A-B________________________A-B_______________

乘号AXBA*B

A

除号一A/B

________B__________________________________

指数dA^B

常见的数组和矩阵运电

MATLAB形式注释

数组加法A+B数组加法和矩阵加法相同

数组减法A-B数组减法和矩阵减法相同

双力“正在AA和B的元素逐个对应相乘.两数组之间必须有相同

数组乘法AB的形，或其中-个是标量.

矩阵乘法A*BA和B的矩阵乘法.A的列数必须和B的行数相同.

A和B的元素逐个对应相除：

数组右除法A./BA(iJ)/B(iJ)两数组之间必须有相同的形，或其中一个

是标量.

A和B的元素逐个对应相除：

数组左除法A.\BB(iJ)/A(iJ)两数组之间必须有相同的形，或其中一个

是标量.

矩阵右除法A/B矩阵除法,等价于A*inv(B),inv(B)是B的逆阵

矩阵左除法A\B矩阵除法,等价于inv(B)*A,inv(A)是A的逆阵

AB中的元素逐个进行如下运算A(ijrB(ij),

数组指数运算A3BA(ij)/B(iJ)两数组之间必须有相同的形，或其中一个

例：矩阵运算和数组运算

&|»A=[l4;916];

«»Aq=sqrt(A)%数组的平方根

»印

?e皿s=

|Aq=J

H-J710

1pM1

2\1522

34(

t>>Aqm=sqrtm(A)%矩阵的平方根U>>Aq，*Aq*初蛆相乖

@Aqm=13ns-

uCM1,岂1

0.4662+0.9359i0.8860-0.2189i/14

1.9935-0.4924i3.7888+0.1152i与916

R课本34Mo

1.7多项式

多项式/5(x)=a“/+4iX"T+-+4X+ao，在MATLAB里多项式用其系数行向

量表小，表小P=[a〃,—1,…,al,aO]。

1)多项式的创建

(1)直接输入法，例：

21»P=[l234]

sP=

1234

(2)poly(A),若A为方阵，则创建方阵A的特征多项式。

(3)poly(a),如果向量a=[bn,bn-l,…,bl,bO],则创建

(%-4)(》-伪＞..(》-％)(》-2)生产的多项式的系数向量。

2)多项式运算

(1)多项式加减：+,-

(2)多项式相乘：p=conv(pl,p2)

(3)多项式相除：[q,r]=deconv(pl,p2)

【说明】：多项式pl除以多项式p2,商多项式为q,余多项式为r。

(4)多项式求导：dp=polyder(p)

(5)多项式求值：pA=polyval(p,A)

(6)多项式求根：r=roots(p)

(7)矩阵的特征多项式：p=poly(A)

例：多项式的创建和运算

>>pl=[11]；凫定义多项式pl(x)=x+l

»PSl=poly2str(pl,yx，)凫用习惯的方式显示多项式

PSI=

x+1

»p2=[l11];%定义多项式p2(x)=ir2+x+l

>>PS2=poly2str(p2,*x*);

>>[q,r]=deconv(p2,pl)凫求p2/pl

q=

10

r=

001

1.8逻辑关系运算

符号运算符功能函数名

&逻辑与and

1逻辑或or

〜

逻辑非not

逻辑异或xor

==等于eq

〜_

不等于ne

<小于It

>大于gt

<=小于等于le

>=大于等于ge

【练习工

1、回答关于下列矩阵的有关问题

-1.1-3.23.40.6

C=0.61.1-0.63.1

1.30.65.50.0

(1)C的大小是多少？

(2)C(2,3)的值是多少？

(3)列出值为0.6的元素的下标

2、c数组的定义如下，写出下面子数组的内容

c=

1.1000-3.20003.40000.6000

0.60001.1000-0.600