机电控制技术试验指导书(基于matlab的控制系统设计与仿真)毕业论文.doc

机电控制技术实验指导书 基于MATLAB的控制系统设计与仿真 王正杰 杨喆 北京理工大学机电学院 2012年4月 目录 1. MATLAB简介 1 1.1 MATLAB界面 1 1.2 文件和变量的命名规则 1 1.3 标点符号 2 1.4 数值计算 2 1.4.1 复数 2 1.4.2 矩阵和数组 3 1.4.3 基本运算函数 4 1.5 控制语句 5 1.5.1 循环语句 5 1.5.2 条件转移语句 5 1.5.3 break语句 6 1.6 函数绘图 6 1.6.1 曲线的颜色、线型和数据点形 6 1.6.2 绘制二维曲线 6 1.6.3 绘制三维图形 6 1.6.4 多个图形的绘制 7 1.6.5 交互式图形命令 8 1.6.6 图形的标注 8 2. 控制系统的数学模型 9 2.1 Laplace变换和反变换 9 2.1.1 直接调用MATLAB所提供的函数 9 2.1.2部分分式展开 9 2.2 传递函数描述法 11 2.3 零极点描述法 11 2.4 模型之间的转换 12 2.5 结构图的化简 13 2.5.1 串联结构 13 2.5.2 并联结构 13 2.5.3 反馈结构 14 3. 控制系统的时域分析 16 3.1系统稳定性分析 16 3.2 系统动态特性分析 17 4. 控制系统的频域分析 23 4.1 频域特性 23 4.2 绘制Bode图 24 4.3 绘制Nyquist曲线 29 4.4 幅值裕度和相位裕度 31 5. 控制系统的根轨迹分析 34 5. 1 绘制根轨迹 34 5.2 开环零点和极点对系统性能的影响 39 5.2.1 开环零点对系统性能的影响 39 5.2.2 开环极点系统性能的影响 42 5.2.3 开环偶极子对系统性能的影响 45 1. MATLAB简介 1.1 MATLAB界面 （1）命令窗口（Command Window） 进行各种MATLAB指令各种操作，可输入各种MATLAB指令、函数、表达式、变量等，并显示除图形外的所有运算结果。 （2）工作空间窗口（Workspace） 显示目前保存在内存中所有变量的变量名、类型，最大值和最小值等。 （3）当前目录窗口（Current Directory或Current Folder） 显示当前路径。 （4）历史命令窗口（Command History） 记录在命令窗口中已经运行过的指令、函数。 1.2 文件和变量的命名规则 （1）文件名和变量名必须是数字或英文字母，第一个字符不能是数字，最多可包含31个字符； （2）文件名和变量名中不得包含空格、标点，可以包含下划线； （3）文件名和变量名需区分大小写； （4）文件名和函数名不得与MATLAB固有函数、特殊变量和常量名重复； （5）文件存储路径必须为英文。 表1.1MATLAB的特殊变量与常量 变量名 取值 ans 默认变量名，以 pi 圆周率π i或j 虚数单位，i=j= inf 无穷大，如 NaN或nan 不定值，如，， eps 计算机的最小数 realmax 最大的正实数 realmin 最小的正实数 nargin 函数的输入变量数目 narout 函数的输出变量数目 1.3 标点符号 表1.2 MATLAB中的常用标点符号 名称 符号 功能 空格 用于输入变量之间的分隔符以及数组行元素之间的分隔符 逗号 , 用于要显示计算结果的命令之间的分隔符；用于输入变量之间的分隔符；用于数组行元素之间的分隔符 分号 ; 用于不显示计算结果命令行的结尾；用于不显示计算结果命令之间的分隔符；用于数组元素行之间的分隔符 冒号 : 用于生成一维数值数组，表示一维数组的全部元素或多维数组的某一维的全部元素 百分号 % 用于注释的前面，在它后面的命令不需要执行 单引号 ‘ ’ 用于括住字符串 圆括号 ( ) 用于引用数组元素；用于函数输入变量列表；用于确定算术运算的先后次序 方括号 [ ] 用于构成向量和矩阵；用于函数输出列表 下划线 - 用于一个变量、函数或文件名中的连字符 续行号 … 用于把后面的行与该行连接以构成一个较长的命令 1.4数值计算 1.4.1 复数 复数由实部和虚部组成，MATLAB用特殊变量“i”和“j”表示虚数的单位。复数运算不需要特殊处理，可以直接进行。 （1）复数的表示 z=a+b*i或z=a+b*j z=a+bi或z=a+bj(当b为标量时) z=r*exp(i*theta) （2）求一个复数的实部、虚部、幅值和相角 a=real(z)%计算实部 b=imag(z)%计算虚部 r=abs(z)%计算幅值 theta=angle(z)%计算相角 说明： 复数z的实部a=r*cos(θ)； 复数z的虚部b=