现代控制理论实验指导书-潘俊涛精选.doc

现　代　控　制　理　论 实 验 指 导 书 北方民族大学电气信息工程学院自动化系教研室 目　　录 第1章 MATLAB软件简介 1 1.1 MATLAB软件在控制系统中的应用介绍 1 1.2 MATLAB软件使用入门 1 1.2.1 MATLAB软件的环境介绍 1 1.2.2 MATLAB软件基本运算入门 1 1.2.3 MATLAB软件简单二维图形绘制 1 1.2.4 M文件 1 1.2.5 MATLAB程序流程控制 1 第二章　实验 1 实验一 　控制系统的数学模型及转换 1 实验二 　状态空间模型的线性变换及其标准形 1 实验三 　求解系统方程 1 实验四 　系统能控性、能观性的判别 1 实验五 　系统稳定性仿真实验 1 实验六 　状态反馈和状态观测器的设计（设计性） 1 第1章 MATLAB软件简介 1.1 MATLAB软件在控制系统中的应用介绍 MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，1984年由美国Mathworks公司推向市场。它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得MAPLE软件的使用权，从而以MAPLE为“引擎”开发了符号数学工具箱（Symbolic Math Toolbox）。 MATLAB软件包括五大通用功能：数值计算功能（Nemeric）；符号运算功能（Symbolic）；数据可视化功能（Graphic）；数据图形文字统一处理功能（Notebook）和建模仿真可视化功能（Simulink）。其中，符号运算功能的实现是通过请求MAPLE内核计算并将结果返回到MATLAB命令窗口。该软件有三大特点：一是功能强大；二是界面友善、语言自然；三是开放性强。目前，Mathworks公司已推出30多个应用工具箱。MATLAB在线性代数、矩阵分析、数值及优化、数理统计和随机信号分析、电路与系统、系统动力学、信号和图像处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、建模和仿真、通信系统、以及财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用。 MATLAB在控制系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。由于控制系统课程的许多内容都是基于公式演算，而MATLAB借助符号数学工具箱提供的符号运算功能能基本满足控制系统课程的需求。例如，解微分方程、傅里叶正反变换、拉普拉斯正反变换、z正反变换等。MATLAB在控制系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析，主要包括函数波形绘制、函数运算、冲激响应与阶跃响应仿真分析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的S域分析、零极点图绘制等内容。数值计算仿真分析可以帮助学生更深入理解控制系统的理论知识，并为将来使用MATLAB进行信号处理领域的各种分析和实际应用打下基础。 1.2 MATLAB软件使用入门 1.2.1 MATLAB软件的环境介绍 MATLAB 6.5的工作桌面由标题栏、菜单栏、工具栏、命令窗口（Command Window）、工作空间窗口（Workspace）、当前目录窗口（Current Directory）、历史命令窗口（Command History）及状态栏组成，从而为用户使用MATLAB提供了集成的交互式图形界面，如图1-1所示。 MATLAB的命令窗口是接收用户输入命令及输出数据显示的窗口，几乎所有的MATLAB行为都是在命令窗口进行的。当启动MATLAB软件时，命令窗口就做好了接收指令和输入的准备，并出现命令提示符（）。在命令提示符后输入指令通常会创建一个或多 个变量。变量可以是多种类型的，包括函数和字符串，但通常的变量只是数据。这些变量被放置在MATLAB的工作空间中，工作空间窗口提供了变量的一些重要信息，包括变量的名称、维数大小、占用内存大小、以及数据类型等信息。查看工作空间的另一种方法是使用whos命令。在命令提示符后输入whos命令，工作空间中的内容概要将作为输出显示在命令窗口中。 有的命令可以用来清除不必要的数据，同时释放部分系统资源。clear命令可以用来清除工作空间的所有变量，如果要清除某一特定变量则需要在clear命令后加上该变量的名称。另外，clc命令用来清除命令窗口的内容。 如果希望将MATLAB所创建的变量及重要数据保留下来，则使用save命令，并在其后加上文件名，即可将整个工作空间保存为一个扩展名为.mat的文件。使用load命令，并在其后加上文件名，则可将MATLAB数据文件（.mat文件）中的数据加载到工作空间中。MATLAB历史命令窗口记录了每次输入的命令。在该窗口中可以对以前的历