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计算机仿真技术实验指导书滨州学院光电工程系目录实验一MATLAB环境的熟悉与基本运算...................................................................................1实验二MATLAB数值及符号运算...............................................................................................7实验三MATLAB语言的程序设计.............................................................................................12实验四MATLAB的图形绘制.....................................................................................................15实验五线性系统时域响应仿真分析.........................................................................................19实验六控制系统的根轨迹.........................................................................................................23实验七控制系统的频率特性分析.............................................................................................29实验八Simulink建模与仿真.....................................................................................................33实验九基于传递函数的控制器设计.........................................................................................41实验一Matlab使用方法（数组和矩阵的基本运算）实验二Matlab程序设计基本方法实验三数值计算与绘图实验四Simulink建模与仿真实验五控制系统的分析（1）——时域分析、频域分析和根轨迹分析实验六控制系统的分析（2）——稳定性分析实验七经典控制系统设计—根轨迹法实验八经典控制系统设计—Bode图法实验一MATLAB环境的熟悉与基本运算一、实验目的：1．熟悉MATLAB开发环境2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算二、实验基本知识：1.熟悉MATLAB环境:MATLAB桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览器文件和搜索路径浏览器。2.掌握MATLAB常用命令clc清除命令窗口中内容clear清除工作空间中变量help对所选函数的功能、调用格式及相关函数给出说明lookfor查找具有某种功能的函数但却不知道该函数的准确名称who查询工作空间中的变量信息3.MATLAB变量与运算符变量命名规则如下：（1）变量名可以由英语字母、数字和下划线组成（2）变量名应以英文字母开头（3）长度不大于31个（4）区分大小写MATLAB中设置了一些特殊的变量与常量，列于下表。表1MATLAB的特殊变量与常量变量名功能说明变量名功能说明ANS默认变量名，以应答最近一次操作运算结果realmin最小的正实数i或j虚数单位INF(inf)无穷大pi圆周率NAN(nan)不定值（0/0）eps浮点数的相对误差nargin函数实际输入参数个数realmax最大的正实数nargout函数实际输出参数个数MATLAB运算符，通过下面几个表来说明MATLAB的各种常用运算符表2MATLAB算术运算符操作符功能说明操作符功能说明+加\矩阵左除-减.\数组左除*矩阵乘/矩阵右除.*数组乘./数组右除^矩阵乘方'矩阵转置.^数组乘方.'数组转置表3MATLAB关系运算符操作符功能说明==等于~=不等于大于小于=大于等于=小于等于表4MATLAB逻辑运算符逻辑运算符逻辑运算说明&And逻辑与|Or逻辑或~Not逻辑非Xor逻辑异或表5MATLAB特殊运算符号功能说明示例符号功能说明示例：1:1:4;1:2:11.；分隔行..，分隔列…（）%注释[]构成向量、矩阵！调用操作系统命令{}构成单元数组=用于赋值4.MATLAB的一维、二维数组的寻访表6子数组访问与赋值常用的相关指令格式指令格式指令功能A(r,c)数组A中r指定行、c指定列之元素组成的子数组A(r,:)数组A中r指定行对应的所有列之元素组成的子数组A(:,c)数组A中c指定列对应的所有行之元素组成的子数组A(:)数组A中各列元素首尾相连组成的“一维长列”子数组A(i)一维长列子数组中的第i个元素A(r,c)=Sa数组A中r指定行、c指定列之元素组成的子数组的赋值A(:)=D(:)数组全元素赋值，保持A的行宽、列长不变，A、D两组元素总合应相同5.MATLAB的基本运算表7两种运算指令形式和实质内涵的异同表数组运算矩阵运算指令含义指令含义A．'非共轭转置A’共轭转置A=s把标量s赋给A的每个元素s+B标量s分别与B元素之和s-B,B-s标量s分别与B元素之差s.*A标量s分别与A元素之积s*A标量s分别与A每个元素之积s./B,B.\s标量s分别被B的元素除S*inv(B)B阵的逆乘sA.^nA的每个元素自乘n次A^nA阵为方阵，自乘n次A.^p对A各元素分别求非整数幂A^p方阵A的非整数乘方A+B对应元素相加A+B矩阵相加A-B对应元素相减A-B矩阵相减A.*B对应元素相乘A*B内维相同矩阵相乘A./BA的元素别B的对应元素除A/BA右除BB.\A与上相同B\AA左除Bexp(A)以自然数e为底，分别以A的元素为指数，求幂expm(A)A的矩阵指数函数log(A)对A的各元素求对数logm(A)A的矩阵对数函数sqrt(A)对A的各元素求平方根sqrtm(A)A的矩阵平方根函数6.MATLAB的常用函数表8标准数组生成函数指令含义指令含义diag产生对角形数组（对高维不适用）rand产生均匀分布随机数组eye产生单位数组（对高维不适用）randn产生正态分布随机数组magic产生魔方数组（对高维不适用）zeros产生全0数组ones产生全1数组size()返回指定矩阵的行数和列数表9数组操作函数指令含义diag提取对角线元素，或生成对角阵flipud以数组“水平中线”为对称轴，交换上下对称位置上的数组元素fliplr以数组“垂直中线”为对称轴，交换左右对称位置上的数组元素reshape在总元素数不变的前提下，改变数组的“行数、列数”rot90矩阵逆时针旋转90度det方阵的行列式值rank矩阵的秩三、实验内容1、新建一个文件夹（自己的名字命名）2、启动MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。方法如下：3、保存，关闭对话框4、学习使用help命令，例如在命令窗口输入helpeye，然后根据帮助说明，学习使用指令eye（其它不会用的指令，依照此方法类推）5、学习使用clc、clear，观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口的变化结果。6、初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如exerc1、exerc2、exerc3……），学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。注意：每一次M-file的修改后，都要存盘。练习A：（1）helprand，然后随机生成一个2×6的数组，观察commandwindow、commandhistory和workspace等窗口的变化结果。（2）学习使用clc、clear，了解其功能和作用。（3）输入C=1:2:20，则C（i）表示什么？其中i=1,2,3,…,10。（4）输入A=[715；256；315]，B=[111;222;333]，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.*BA^2A.^2B/AB./A（5）二维数组的创建和寻访，创建一个二维数组（4×8）A，查询数组A第2行、第3列的元素，查询数组A第2行的所有元素，查询数组A第6列的所有元素。（6）两种运算指令形式和实质内涵的比较。设有3个二维数组A2×4，B2×4，C2×2，写出所有由2个数组参与的合法的数组运算和矩阵指令。（7）学习使用表8列的常用函数（通过help方法）（8）学习使用表9数组操作函数。练习B（10）用reshape指令生成下列矩阵，并取出方框内的数组元素。实验二MATLAB数值及符号运算一、实验目的：1、了解伴随矩阵、稀疏矩阵、魔方矩阵、对角矩阵、范德蒙等矩阵的创建，掌握矩阵的基本运算2、掌握矩阵的数组运算3、掌握多项式的基本运算4、会求解代数方程5、掌握创建符号表达式和矩阵的方法6、掌握符号表达式的微分和积分运算二、实验基本知识：1、创建矩阵的方法：直接输入法；用matlab函数创建矩阵2、矩阵运算：矩阵加、减（＋,－）运算矩阵乘（）运算矩阵乘方inv——矩阵求逆det——行列式的值eig——矩阵的特征值diag——对角矩阵’——矩阵转置sqrt——矩阵开方3、矩阵的数组运算：数组加减(.+,.-)：对应元素相加减数组乘(）：a，b两数组必须有相同的行和列，两数组相应元素相乘数组除（./，.\）：a./b=b.\a—都是b的元素被a的对应元素除（a除以b）a.\b=b./a—都是a的元素被b的对应元素除（除以a）数组乘方(.^)：元素对元素的幂数组点积（点乘）：维数相同的两个向量的点乘，其结果是一个标量数组叉积：就是一个过两个相交向量的交点且垂直于两个向量所在平面的向量数组混合积:先叉乘后点乘4、多项式运算poly——产生特征多项式系数向量roots——求多项式的根p=poly2str(c,‘x’)（以习惯方式显示多项式）conv,convs多项式乘运算deconv多项式除运算多项式微分polyder(p):求p的微分polyder(a,b):求多项式a,b乘积的微分[p,q]=polyder(a,b):求多项式a,b商的微分5、代数方程组求解1）.恰定方程组的解方程ax=b(a为非奇异)两种求解方法：x=inv(a)b—采用求逆运算解方程x=a\b—采用左除运算解方程2）超定方程组的解方程ax=b,mn时此时不存在唯一解。x=(a'a)-1a'b——求逆法3）欠定方程组的解matlab可求出两个解：用除法求的解x是具有最多零元素的解是具有最小长度或范数的解，这个解是基于伪逆pinv求得的。6、复数运算：复数的实虚部、模和幅角计算real_z=real(z)image_z=imag(z)magnitude_z=abs(z)angle_z_radian=angle(z)%弧度单位angle_z_degree=angle(z)*180/pi%度数单位7、符号矩阵的创建1）用matlab函数sym创建矩阵（symbolic的缩写)命令格式：A=sym('[]')2）用字符串直接创建矩阵8、符号矩阵的修改a.直接修改：可用、键找到所要修改的矩阵，直接修改b.指令修改：subs(A,'new','old')来修改9、符号矩阵与数值矩阵的转换将数值矩阵转化为符号矩阵，函数调用格式：sym(A)将符号矩阵转化为数值矩阵，函数调用格式：numeric(A)10、符号微积分与积分变换diff(f)—对缺省