控制系統仿真技術教案

遇黃〃亭忱

《控制系統仿真技術》教案

編者：趙磊

機電與信息工程學院

黃山學院控制系統仿真技術課程教案

授課教師趙磊教研室自動化授課班級11自動化

授課題目MATLAB基礎授課類型■理論■實踐

課程類別口必修課■選修課口講座教學課時4課時

授課日期授課地點4317

教學目的

與要求

教學重點教學難點

教學手段

啟發式多媒體授課

教學方法（教具與

媒體使用）

思考題與

課后作業

參考資料

進一步聯系生活，形成生動教學，強化工程應用的聯系，加強

課后小結應用型課程的建設，逐步向項目驅動教學和案例教學轉化，使課程

符合“卓越計劃”培養標準的要求。

黃山學院自動控制原理課程教案紙

時間

主要教學過程

分配

教學過程:

第一講MATLAB基礎

1.1目的和意義

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

工作空間X

10曲-

黑X

kteMPOmm,10.3

118-

tuntflcdmdl日1

當前目錄4

命令窗口

dmve?nv((l,l).e?nv((l.I],(I21))

歷史窗口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的所有函數和命令都可以在命令窗口中執行。MATLAB命令窗口中的“＞〉”

為命令提示符,表示MATLAB正在處于準備狀態。在命令提示符后鍵入命令（或語句）

并按下回車鍵后，MATLAB就會解釋執行所輸入的命令，并在命令后面給出計算結果。

例：命令窗口輸入cosOr/3）指令，然后按回車鍵，會出現什么結果?

2）歷史命令窗口（CommandHistory）

默認設置下歷史命令窗口會保留自安裝時起所有命令的歷史記錄，并標明使用時

間，以方便使用者的查詢。

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)當前目錄窗口(CurrentDirectory)

在當前目錄窗口中可顯示或改變當前目錄，還可以顯示當前目錄下的文件，包括

文件名、文件類型、最后修改時間以及該文件的說明信息等并提供搜索功能。

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

FileEditViewDebugDesktopWindowHelp

tsandSettings\Administrator\MyDocuments\MATLABV匕J國首A

AllFiles▲TypeSizeDateModified

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

已stepchar,mM-file1KB13-127下午12:21

畫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

<為

4)工作空間窗口(Workspace)

工作空間在MATLAB運行期間一直存在，關閉MATLAB后自動消失，當運行MATLAB

程序時，程序中的變量將被加載到工作空間中。在一個程序中的運算結果以變量的

形式保存在工作空間后，在MATLAB關閉之前該變量還可以被別的程序調用。在工作

空間窗口中將顯示所有目前保存在內存中的MATLAB變量的變量名、數據結構、字節

數以及類型，而不同的變量類型分別對應不同的變量名圖標。用戶可用命令對工作

空間中的變量進行顯示、刪除或保存等操作。

【注意】：內存變量的查閱和刪除命令

who%查看工作空間中變量的名字

whos%查看工作空間中變量的詳細信息

clear/刪除工作空間中的所有變量

clearab%刪除變量a,b

size(a)/變量的大小

length(a)%求取變量的長度，返回最大維數

例：運行下面MATLAB命令，并查看內存變量。

?>KATLAB7.6.0(R2008a)區|

FileEditDebugParallelDesktopWindowHelp

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

ShortcutsHowtoAddWhat,>zNew

Yourvariablesare:

abc

[?$七ayt]

G

s1z6

BytesClassAttributes

?

.e

X1X1

mJ8double

o2X3

X48double

23

48double

tartOVR.:

MATLAB7.6.0(R2008a)IS回區

FileEditDebugParallelDesktopWindowHelp

€3|M*0。|IhdmiGiMtr.tcrVMyDocwat3Vm

ShortcutsHowtoAddilWhat'sNew

ans

.23

U

m

?length(b)

--.

a

BD

wd

Mo3

「?Sit]

1.3MATLAB的幫助系統

1.3.1普通文本幫助

【命令】：help函數名/文件名外顯示相關函數/文件的幫助注釋區

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超文本幫助

IZ）回區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

電CurveFittingToolbox

+多DataAcquisitionToolbox

MATLAB?ReleaseNotes

電&DatabaseToolbox

^DatafeedToolboxSummarizesnewfeatures,bugfixes,upgradeissues,

etc.forMATLAB

申多EmbeddedMATLAB

+FiltfirCaaicnTnnlhnv-

aJ

1.4MATLAB編程基礎

基本語法和基本規則

1）變量

【變量（包括函數）命名規則】：

（1）必須以字母開頭；

（2）可以由字母、數字和下劃線混合組成;

（3）變量長度應不大于31個；

（4）字母區分大小寫。

NameValue

田A4

Iffia1

2

zBa_13

【特殊變量工

變量名稱功能變量名稱功能

ans保存最后一次的運算結果Pi圓周率

realmax最大的浮點數值realmin最小的浮點數值

j虛數單位j虛數單位

inf正無窮大NaN非數(0/0.Inf/Inf)

2）基本數據類型

數據類型（class）舉例解釋

double（雙精度）[1,2;3,4],5+6i最常用的類型

char（字符型）3hello字符數組，每個字符占16位

sparse（稀疏型）speye(5)雙精度稀疏矩陣，只存儲矩陣中的非。元素

cell（細胞型）{[1,2,3;4,5,6;7,8,9]/hello\eye(2))細胞數組，數組中的每個元素可為不同類型

struct（結構型）a.day=12,a.color=,red3相當于數據庫的記錄

storage（存儲型）unit8(magic⑶)8位型，為無符號整數。最大可表示255,

3）基本語句

賦值變量=表達式

例：

>>

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

3

”2.0811

4）關于程序編輯

（1）語句可以由分號（：）、逗號（，）或回車（Enter）結束。如果用分號結束。

則左邊的變量結果不會顯示在命令窗口，否則將顯示左側變量的值。

（2）每行可以寫多條語句，語句之間用空格、逗號、分號進行分隔。

（3）用三個或者三個以上的黑點表示“續行”，表示下一行是上一行的繼續。

?2,3;...

4,5,6]

A=

123

456

(4)用%表示注釋，%開始一直到行末的內容都是注釋，注釋內容不參與程序運行。

1.5數組(矩陣)

1.5.1一維數組

1、一維數組的創建

(1)逐個元素輸入法

JI?a=[1.0,2+2.4i3*pi]%逐個輸入數組中的元素值

a

1.00002.0000+2.400019.4248

(2)冒號運算符法

J?b=l:1:5%用國號運算符循環產生數組元素

b=

12345

【注意】：冒號運算符的格式是:a=sl:s2:s3o

其中si是起始值，S2是步距，S3是終止值。

(3)線性分隔法

1inspace(1,5s9)

s=

Columns1through7

1.00001.50002.00002.50003.00003.50004.0000

Columns8through9

4.50005.0000

【注忌】：linspace函數的調用格式為：x=linspace(a,b,,n)□

(4)對數分割法

1>>logspace(0,3,4)

ans=

J1101001000

【注意】：logspace函數的調用格式為：x=logspace(a,b,,n)

生成數組的第一個元素值為10%最后一個元素為10\數組共有n個元素,

&Ib-a乂]

這n個元素依次為=，…“-1。

2、一維數組的訪問

【方法】：(1)用下標方式訪問數組元素，下標要用一對圓括號()引起來。

(2)下標代表的是元素在數組中的位置序號。

(3)下標可以是常量，也可以是變量。

(4)可以訪問數組中的單個元素，也可以訪問數組中的某些元素，及數組

的子數組。

例：

口>>x=rand(l,5)%產生1*5的均勻分布隨機數組

x=

0.81470.90580.12700.91340.6324

?x(l)%讀數組的第一個元素

ans=

0.8147

?x([l,4])%返回數組的第1個和第4個元素構成的子數組

ans=

0.81470.9134

X

(1:3)%返回數組的錢3個元素構成的子數組

0.81470.90580.1270

?x(l)=0%數組的第1個元素賦值0

00.90580.12700.91340.6324

4

xA（end:-l:1）%獲得一維數組的倒敘數組

~o1>>

Ian

u￡lS

?l口

0.63240.91340.12700.90580

1.5.2二維數組

1、二維數組的創建

【規則】：（1）整個數組必須用□括起來。

（2）數組的行與行之間用分號“：”分隔。

（3）每行之間的元素必須用逗號“，”，或者空格分隔。

（4）分隔符必須是英文字符，即在英文狀態下輸入分號、括號、方括號、

逗號等。

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、二維數組的訪問

例：

?A=zeros(2,4)%生成2行4列的全。數組

A

a

§A=

E

5

J

0000

-r

m0000

2

O'

M

二?A(2,4)=4%第2行4列元素賦值為4

a

V

JA=

J

0000

0004

1.5.3多維數組

1、多維數組的創建

（1）直接通過全下標方式進行元素賦值。

（2）用低維數組合成多維數組。

（3）用數組生成函數（ones/zeros/rand等）生成多維數組。

例：

三

工?A(2,2,3)=10鳧創建三維(2*2*3)數組

p

sA

i=

。

A

00

-

00

I

O

t

tA(:,:,2)=

o

a

x00

d

s

^00

O

M

A(:,:,3)=

00

010

2、多維數組的訪問

(1)可以通過全下標方式訪問。對三維數組來說，第一維下標稱為“行下標”,

第二維下標稱為“列下標”，第三維下標稱為“頁下標二

(2)數組維數通過ndims函數獲取。

(3)數組尺寸通過size函數獲取。

(4)數組的所有維中的最大長度通過length函數獲取。

>>A=ortes(2,4,3);%創建2/4*3的三維函數

>>size(A)%獲取維致A的大川、

ans

243

>>lengtK(A)為荻取數組A的最長雉數的長度

ans

et

d

s4

十

10

>>ndims(A)%缺得數組A

1.5.4數組操作

1、標準數組的生成

(1)ones一一生成全1數組，即數組中的元素都為1

【調用格式工

Y=ones(n)%生成n*n的全1矩陣

Y=ones(size(A))/生成和數組A同樣尺寸的全1數組

(2)zeros-----同ones函數相似

(3)rand——生成均勻分布隨機數組

(4)randn----生成正態分布隨機數組

(5)eye----產生單位矩陣

1.6數組運算與矩陣運算

【定義】：數組運算是指對數組中的每個元素進行相同的運算，注意數組運算的行

與列必須相同。數組運算可以通過MATLAB提供的運算符和數組運算函數實現。

矩陣運算是則遵循線性代數的一般規則。

兩標量間的數學運算符

運算符代數形式MATLAB形式

加號A+BA+B

減號A-B________________________A-B_______________

乘號AXBA*B

A

除號一A/B

________B__________________________________

指數dA^B

常見的數組和矩陣運電

MATLAB形式注釋

數組加法A+B數組加法和矩陣加法相同

數組減法A-B數組減法和矩陣減法相同

雙力“正在AA和B的元素逐個對應相乘.兩數組之間必須有相同

數組乘法AB的形，或其中-個是標量.

矩陣乘法A*BA和B的矩陣乘法.A的列數必須和B的行數相同.

A和B的元素逐個對應相除：

數組右除法A./BA(iJ)/B(iJ)兩數組之間必須有相同的形，或其中一個

是標量.

A和B的元素逐個對應相除：

數組左除法A.\BB(iJ)/A(iJ)兩數組之間必須有相同的形，或其中一個

是標量.

矩陣右除法A/B矩陣除法,等價于A*inv(B),inv(B)是B的逆陣

矩陣左除法A\B矩陣除法,等價于inv(B)*A,inv(A)是A的逆陣

AB中的元素逐個進行如下運算A(ijrB(ij),

數組指數運算A3BA(ij)/B(iJ)兩數組之間必須有相同的形，或其中一個

例：矩陣運算和數組運算

&|?A=[l4;916];

??Aq=sqrt(A)%數組的平方根

?印

?e皿s=

|Aq=J

H-J710

1pM1

2\1522

34(

t>>Aqm=sqrtm(A)%矩陣的平方根U>>Aq，*Aq*初蛆相乖

@Aqm=13ns-

uCM1,豈1

0.4662+0.9359i0.8860-0.2189i/14

1.9935-0.4924i3.7888+0.1152i與916

R課本34Mo

1.7多項式

多項式/5(x)=a“/+4iX"T+-+4X+ao，在MATLAB里多項式用其系數行向

量表小，表小P=[a〃,—1,…,al,aO]。

1)多項式的創建

(1)直接輸入法，例：

21?P=[l234]

sP=

1234

(2)poly(A),若A為方陣，則創建方陣A的特征多項式。

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

(%-4)(》-偽＞..(》-％)(》-2)生產的多項式的系數向量。

2)多項式運算

(1)多項式加減：+,-

(2)多項式相乘：p=conv(pl,p2)

(3)多項式相除：[q,r]=deconv(pl,p2)

【說明】：多項式pl除以多項式p2,商多項式為q,余多項式為r。

(4)多項式求導：dp=polyder(p)

(5)多項式求值：pA=polyval(p,A)

(6)多項式求根：r=roots(p)

(7)矩陣的特征多項式：p=poly(A)

例：多項式的創建和運算

>>pl=[11]；鳧定義多項式pl(x)=x+l

?PSl=poly2str(pl,yx，)鳧用習慣的方式顯示多項式

PSI=

x+1

?p2=[l11];%定義多項式p2(x)=ir2+x+l

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

>>[q,r]=deconv(p2,pl)鳧求p2/pl

q=

10

r=

001

1.8邏輯關系運算

符號運算符功能函數名

&邏輯與and

1邏輯或or

?

邏輯非not

邏輯異或xor

==等于eq

?_

不等于ne

<小于It

>大于gt

<=小于等于le

>=大于等于ge

【練習工

1、回答關于下列矩陣的有關問題

-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)列出值為0.6的元素的下標

2、c數組的定義如下，寫出下面子數組的內容

c=

1.1000-3.20003.40000.6000

0.60001.1000-0.600