控制系統(tǒng)仿真第2章

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1、第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 2.1 MATLAB簡 介 2.2 MATLAB編 程 2.3 Simulink交 互 式 仿 真 環(huán) 境 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步2.2.4 MATLAB繪 圖 WT 1 基 本 的 繪 圖 命 令 1） 線 性 刻 度 繪 圖 命 令 plot x軸 和 y軸 均 為 線 性 刻 度 ； 繪 圖 命 令 格 式 為 plot(x) %最 簡 單 的 調(diào) 用 格 式plot(x,y) %常 用 的 調(diào) 用 格 式plot(x1,y1,x2,y2) %含 多 個

2、 輸 入 參 數(shù) 的 調(diào) 用 格 式plot(x,y,option)或 plot(x1,y1,option1,x2,y2,option2,)； %含 選 項 的 調(diào) 用 格 式其 中 選 項 參 數(shù) option定 義 了 圖 形 曲 線 的 顏 色 、 線 型 及 表 示 符 號 ， 它 由 一 對 單 引 號 括 起 來 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步表 2.1 線 型 、 顏 色 及 表 示 符 號 對 照 表 y k b g r w c m 黃 色 黑 色 蘭 色 綠 色 紅 色 白 色 亮 青 色 錳 紫 色 . o x + * s - ： -. - v d

3、 p h 點 圓 x + * 方 實線 點線 點虛 線 虛線 下三角 上三角 左三角 右三角 金剛石 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 線 型 與 顏 色 可 以 任 意 組 合 ， 從 而 生 成 不 同 顏 色 和 不 同 形狀 的 曲 線 。 舉 例 ： plot(t,x, c+： )； 就 畫 出 了 用 “ +”標 記 的 亮 青 色 “ 點 ”線 ， 而 plot(t,x, c： )則 只 畫 出 了 亮 青 色 的 “ 點 ” 線 ； plot(t,x, bd )則 畫 出 了 藍 色 的 “ 金 剛 石 ” 線 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使

4、用 初 步 exp2_34:在 0 X 2區(qū) 間 內(nèi) ， 繪 制 曲 線 y=2e-0.5xsin(2 x)。 程 序 如 下 ： x=0:pi/100:2*pi; y=2*exp(-0.5*x).*sin(2*pi*x); plot(x,y) 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步exp2_35某 工 廠 2000年 各 月 總 產(chǎn) 值 （ 單 位 ： 萬 元 ） 分 別為 22、 60、 88、 95、 56、 23、 9、 10、 14、 81、 56、23， 試 繪 制 折 線 圖 以 顯 示 出 該 廠 總 產(chǎn) 值 的 變 化 情 況 。程 序 如 下 ： p=22,6

5、0,88,95,56,23,9,10,14,81,56,23; plot(p) 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2 4 衰 減 振 蕩 曲 線 與 包 絡 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步ex2-1在 同 一 坐 標 內(nèi) 繪 制 曲 線y=2e-0.5xsin(2 x)及 其 包 絡 線 。% ex2_1x=(0:pi/100:2*pi);y1=2*exp(-0.5*x); %包 絡 線y2=2*exp(-0.5*x).*sin(2*pi*x); %函 數(shù)plot(x,y1,g:, x,-y1,

6、g:, x,y2,b);grid on 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步【 書 例 2.2】 用 圖 形 表 示 離 散 函 數(shù) 。% ex2_2clear all;n=0:12; %產(chǎn) 生 一 組 自 變 量 數(shù) 據(jù) y=1./abs(n-6); %計 算 相 應 點 的 函 數(shù) 值 plot(n,y,r*,MarkerSize,20) %用 紅 花 標 出 數(shù) 據(jù) 點grid on %畫 坐 標 方 格 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2 5 離 散 函 數(shù) 的 可 視 化 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 2） 非 線 性

7、 刻 度 Loglog(x,y,option)： x軸 和 y軸 均 為 對 數(shù) 刻 度 ； Semilogx(x,y,option)： x軸 為 對 數(shù) 刻 度 ； y軸 為 線 性 刻度 ； Semilogy(x,y,option)： y軸 為 對 數(shù) 刻 度 ； x軸 為 線 性 刻度 ； 其 他 的 定 義 與 plot命 令 完 全 相 同 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 3） 選 擇 圖 形 窗 口 、 圖 形 窗 口 分 割 figure(n)： 設 定 不 同 的 圖 形 窗 口 ， 其 中 n為 正 整 數(shù) ,為圖 形 窗 口 編 號 ； holdo

8、n holdoff； subplot(mnk)： 在 同 一 窗 口 顯 示 多 個 圖 形 ， 其 中 m為 上下 分 割 個 數(shù) ， n為 左 右 分 割 個 數(shù) ， k為 子 圖 編 號 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 exp1-23建 立 一 個 圖 形 窗 口 。 該 圖 形 窗 口 沒 有 菜 單 條 ， 標 題 名 稱 為“ 圖 形 窗 口 示 例 ” ， 起 始 于 屏 幕 左 下 角 、 寬 度 和 高 度 分 別 為 300像 素 點 和 150像 素 點 ， 背 景 顏 色 為 綠 色 ， 且 當 用 戶 從 鍵 盤 按 下 任意 一 個 鍵 時

9、 ， 將 顯 示 “ Hello,Keyboard Key Pressed.” 字 樣 。 命 令 如 下 ： hf=figure(Color,0,1,0,Position,1,1,300,150,. Name ,圖 形 窗 口 示例 ,NumberTitle,off,MenuBar,none,. KeyPressFcn,disp(Hello,Keyboard Key Pressed.); 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 exp1-23a建 立 一 個 圖 形 窗 口 figure No3,有 坐 標 軸 。 % exp1-23a figure(3); hold on;s

10、ubplot(234); %兩 行 三 列 第 四 個 圖 形 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 4） 設 定 軸 的 范 圍 axis xmin xmax ymin ymax ） 。 5） 文 字 顯 示 xlabel( 字 符 串 )， ylabel( 字 符 串 )： 表 明 坐標 的 名 稱 等 ； title( 字 符 串 )： 圖 的 標 題 （ 圖 名 ） ； text(x,y, 字 符 串 )： 在 圖 上 (x,y)處 加 注 文 字 ； legend( 字 符 串 1 , 字 符 串 2 , 字 符 串 n )：在 屏 幕 上 開 啟 一 個 小 視 窗

11、 ， 然 后 依 據(jù) 繪 圖 命 令 的 先 后 次 序 ，用 對 應 的 字 符 串 區(qū) 分 圖 形 上 的 線 ； gtext( 字 符 串 )： 文 本 交 互 輸 入 命 令 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 6） 網(wǎng) 格 顯 示 gridon： 顯 示 網(wǎng) 格 ； gridoff： 去 掉 網(wǎng) 格 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 exp2_12F=figure(pos,50,100,200,150,color,w);A=axes(pos,0.5,0.5,0.4,0.4);t=0:1:6;plot(t,sin(t)xlabel(我 是

12、X軸 );ylabel (我 是 Y軸 );title (我 是 標 題 ) 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步綜 合 例 題 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2-6 連 續(xù) 函 數(shù) 的 圖 形 表 現(xiàn) 方 法 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 2 其 他 繪 圖 命 令 bar(x,y)： 繪 制 長 條 圖 ； hist(x,y)： 繪 制 直 方 圖 ； stairs(x,y)： 繪 制 階 梯 圖 ； stem(x,y)： 繪 制 火 柴 棍 圖 （ 離 散 信 號 常 用 命 令 ） ； pie(x)： 繪 制 餅 圖

13、； ezplot： 符 號 方 法 所 用 繪 圖 命 令 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步課 本 其 他 例 題 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步【 例 2.4】 STHT二 階 系 統(tǒng) 階 躍 響 應 。 clf； t=6*pi*(0:100)/100； y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t)； tt=t(find(abs(y-1)0.05)； ts=max(tt)； subplot(1,2,1),plot(t,y, r- , LineWidth ,3),gridon； axis( 0,6*pi,0.6,max(y) )； tit

14、le( y=1-exp(-alpha*t)*cos(omega*t) )； text(11,1.25, alpha=0.3 )； text(11,1.15, omega=0.7 )； holdon； plot(ts,0.95, bo , MarkerSize ,10)； holdoff； text(ts+1.5,0.95, ts= num2str(ts) )； xlabel( t- ),ylabel( y- )； subplot(1,2,2),plot(t,y, r- , LineWidth ,3)； axis( -inf,6*pi,0.6,inf )； set(gca, Xtick , 2*

15、pi,4*pi,6*pi , Ytick , 0.95,1,1.05,max(y) )； 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步Grid on； title( ity=1-e- alphatcos omegat )； text(13.5,1.2, fontsize12 alpha=0.3 )； text(13.5,1.1, fontsize12 omega=0.7 )； holdon； plot(ts,0.95, bo , MarkerSize ,10)； holdoff； cell -string1= fontsize12 uparrow ； cell -string2= fo

16、ntsize16 fontname隸 書 鎮(zhèn) 定 時 間 ； cell -string3= fontsize6 ； cell -string4= fontsize14 rmt -s= num2str(ts) ； text(ts,0.85,cell -string)； xlabel( fontsize14 bft rightarrow )； ylabel( fontsize14 bfy rightarrow )。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2 7 二 階 階 躍 響 應 圖 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 【 例 2.5】 利 用 hold繪

17、 制 離 散 信 號 通 過 零 階 保 持 器 后產(chǎn) 生 的 波 形 。 t=2*pi*(0:20)/20； y=cos(t).*exp(-0.4*t)； stem(t,y, g )； holdon； stairs(t,y, r )； holdoff。 運 行 后 得 到 如 圖 2 8所 示 曲 線 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2 8 離 散 信 號 的 重 構 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步【 例 2.6】 畫 出 函 數(shù) xxy sin 和 積 分 x dxxxs 0 )sin( 在 區(qū) 間 4,0 上 的 曲 線 。 clf;d

18、x=0.1;x=0:dx:4;y=x.*sin(x);s=cumtrapz(y)*dx; %梯 形 法 求 累 計 積 分 plotyy(x,y,x,s),text(0.5,0,fontsize14ity=xsinx) sint=fontsize16int_fontsize80 x; text(2.5,3.5,fontsize14its=,sint,fontsize14itxsinxdx) 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2 9 函 數(shù) 和 積 分 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 【 例 2.7】 受 熱 壓 力 容 器 的 期 望 溫 度 是

19、120 ， 期 望 壓 力是 0.25Mpa。 在 同 一 張 圖 上 畫 出 它 們 的 階 躍 響 應 曲 線 。 S1=tf( 11 , 1321 )； %溫 度 的 傳 遞 函 數(shù) 對 象 模 型 S2=tf(1, 111 )； %壓 力 的 傳 遞 函 數(shù) 對 象 模 型 Y1,T1 =step(S1)； %計 算 階 躍 響 應 Y2,T2 =step(S2)； %計 算 階 躍 響 應 plotyy(T1,120*Y1,T2,0.25*Y2, stairs , plot ) 運 行 后 得 到 如 圖 2 10所 示 曲 線 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初

20、步 圖 2 10 雙 縱 坐 標 圖 演 示 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步【 例 2.8】 compass和 feather指 令 的 區(qū) 別 。 t=-pi/2:pi/12:pi/2； %在 -90 ,90 區(qū) 間 ， 每 15 取 一 點 r=ones(size(t)； %單 位 半 徑 x,y =pol2cart(t,r)； %極 坐 標 轉 化 為 直 角 坐 標 subplot(1,2,1),compass(x,y),title( Compass ); subplot(1,2,2),feather(x,y),title( Feather )。 運 行 后 得

21、到 如 圖 2 11所 示 曲 線 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2 11 compass和 feather指 令 的 區(qū) 別 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 【 例 2.9】 本 例 表 現(xiàn) 一 個 離 散 方 波 的 快 速 Fourier變 換 的幅 頻 。 本 例 左 圖 用 極 坐 標 指 令 polar繪 出 ， 右 圖 用 三 維 離 散桿 圖 指 令 stem3 繪 出 。 MATLAB的 polar指 令 是 建 筑 在 plot基 礎 上 的 。 指 令 執(zhí) 行后 ， 出 現(xiàn) 的 極 坐 標 軸 及 分 度 標 識 也

22、是 由 plot以 一 種 “ 固 定 ”模 式 產(chǎn) 生 的 。 因 此 ， 極 坐 標 軸 的 控 制 很 不 靈 活 ， 它 只 能 以 比較 簡 單 的 方 式 表 達 函 數(shù) 。 如 對 于 本 例 左 圖 ， 那 圖 形 小 、 線 條細 、 文 字 太 密 的 缺 陷 ， 就 較 難 克 服 。 相 比 而 言 ， 先 借 助 極 坐標 和 直 角 坐 標 轉 換 ， 然 后 再 通 過 直 角 坐 標 圖 形 指 令 加 以 表 現(xiàn) ，往 往 更 顯 靈 活 、 方 便 。 如 本 例 的 右 圖 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步th = (0:127)/

23、128*2*pi;%角 度 采 樣 點rho=ones(size(th);%單 位 半 徑x = cos(th);y = sin(th);f = abs(fft(ones(10,1),128);%對 離 散 方 波 進 行FFT變 換 ， 并 取 幅 值 。rho=ones(size(th)+f;%取 單 位 圓 為 繪 制 幅 頻 譜 的 基 準 。subplot(1,2,1),polar(th,rho,r)subplot(1,2,2),stem3(x,y,f,d,fill)%取 菱 形 離 散桿 頭 ， 并 填 色 。view(-65 30)%控 制 角 度 ， 為 表 現(xiàn) 效 果 。 第

24、 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 圖 2-12 離 散 方 波 的 幅 頻 譜 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步SIMULINK在 工 程 實 際 中 ， 控 制 系 統(tǒng) 的 結 構 往 往 很 復 雜 ， 如 果 不 借 助 專 用的 系 統(tǒng) 建 模 軟 件 ， 則 很 難 準 確 地 把 一 個 控 制 系 統(tǒng) 的 復 雜 模 型 輸入 計 算 機 ， 對 其 進 行 進 一 步 的 分 析 與 仿 真 。1990年 ， Math Works軟 件 公 司 為 MATLAB提 供 了 新 的 控 制 系統(tǒng) 模 型 圖 輸 入 與 仿 真 工 具 SIM

25、ULINK ， 該 工 具 很 快 就 在 控 制 工程 界 獲 得 了 廣 泛 的 認 可 ， 使 得 仿 真 軟 件 進 入 了 模 型 化 圖 形 組 態(tài)階 段 。SIMULINK的 出 現(xiàn) ， 給 控 制 系 統(tǒng) 分 析 與 設 計 帶 來 了 福 音 。 顧 名思 義 ， 該 軟 件 的 名 稱 表 明 了 該 系 統(tǒng) 的 兩 個 主 要 功 能 ： Simu（ 仿 真 ） 和 Link（ 連 接 ） ， 即 該 軟 件 可 以 利 用 鼠 標 在 模 型 窗 口 上 繪 制出 所 需 要 的 控 制 系 統(tǒng) 模 型 ， 然 后 利 用 SIMULINK提 供 的 功 能 來 對系

26、統(tǒng) 進 行 仿 真 和 分 析 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步2.3 Simulink交 互 式 仿 真 環(huán) 境 2.3.1 Simulink簡 介 Simulink是 一 個 進 行 動 態(tài) 系 統(tǒng) 建 模 、 仿 真 和 綜 合 分 析 的集 成 軟 件 包 。 它 可 以 處 理 的 系 統(tǒng) 包 括 ： 線 性 、 非 線 性 系 統(tǒng) ；離 散 、 連 續(xù) 及 混 合 系 統(tǒng) ； 單 任 務 、 多 任 務 離 散 事 件 系 統(tǒng) 。 在 Simulink提 供 的 圖 形 用 戶 界 面 GUI上 ， 只 要 進 行 鼠 標的 簡 單 拖 拉 操 作 就 可

27、構 造 出 復 雜 的 仿 真 模 型 。 它 外 表 以 方 塊圖 形 式 呈 現(xiàn) ， 且 采 用 分 層 結 構 。 從 建 模 角 度 講 ， 這 既 適 用 于自 上 而 下 （ Top down） 的 設 計 流 程 （ 概 念 、 功 能 、 系 統(tǒng) 、子 系 統(tǒng) 直 至 器 件 ） ， 又 適 用 于 自 下 而 上 （ Bottom up） 的 逆程 設 計 。 從 分 析 研 究 角 度 講 ， 這 種 Simulink模 型 不 僅 能 讓 用 戶 知 道 具 體 環(huán) 節(jié) 的 動 態(tài) 細 節(jié) ， 而 且 能 讓 用 戶 清 晰 地 了 解 各 器件 、 各 子 系 統(tǒng) 、

28、各 系 統(tǒng) 間 的 信 息 交 換 ， 掌 握 各 部 分 之 間 的 交互 影 響 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 在 Simulink環(huán) 境 中 ， 用 戶 將 擺 脫 理 論 演 繹 時 需 做 理 想 化假 設 的 無 奈 ， 觀 察 到 現(xiàn) 實 世 界 中 摩 擦 、 風 阻 、 齒 隙 、 飽 和 、死 區(qū) 等 非 線 性 因 素 和 各 種 隨 機 因 素 對 系 統(tǒng) 行 為 的 影 響 。 在Simulink環(huán) 境 中 ， 用 戶 可 以 在 仿 真 進 程 中 改 變 感 興 趣 的 參 數(shù) ，實 時 地 觀 察 系 統(tǒng) 行 為 的 變 化 。 由

29、于 Simulink環(huán) 境 使 用 戶 擺 脫了 深 奧 數(shù) 學 推 演 的 壓 力 和 繁 瑣 編 程 的 困 擾 ， 因 此 用 戶 在 此 環(huán)境 中 會 產(chǎn) 生 濃 厚 的 探 索 興 趣 ， 引 發(fā) 活 躍 的 思 維 ， 感 悟 出 新 的真 諦 。 在 MATLAB5.3版 中 ， 可 直 接 在 Simulink環(huán) 境 中 運 作 的工 具 包 很 多 ， 已 覆 蓋 通 信 、 控 制 、 信 號 處 理 、 DSP、 電 力 系統(tǒng) 等 諸 多 領 域 ， 所 涉 及 內(nèi) 容 專 業(yè) 性 極 強 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步2.3.2 Simulin

30、k仿 真 基 礎 1 什 么 是 Simulink Simulink是 MATLAB軟 件 的 擴 展 ， 它 是 實 現(xiàn) 動 態(tài) 系 統(tǒng) 建 模和 仿 真 的 一 個 軟 件 包 ， 它 與 MATLAB語 言 的 主 要 區(qū) 別 在 于 ， 其與 用 戶 交 互 接 口 是 基 于 Windows的 模 型 化 圖 形 輸 入 ， 其 結 果是 使 得 用 戶 可 以 把 更 多 的 精 力 投 入 到 系 統(tǒng) 模 型 的 構 建 ， 而 非語 言 的 編 程 上 。 所 謂 模 型 化 圖 形 輸 入 是 指 Simulink提 供 了 一 些 按 功 能 分類 的 基 本 的 系 統(tǒng)

31、模 塊 ， 用 戶 只 需 要 知 道 這 些 模 塊 的 輸 入 、 輸出 及 模 塊 的 功 能 ， 而 不 必 考 察 模 塊 內(nèi) 部 是 如 何 實 現(xiàn) 的 ， 通 過對 這 些 基 本 模 塊 的 調(diào) 用 ， 再 將 它 們 連 接 起 來 就 可 以 構 成 所 需要 的 系 統(tǒng) 模 型 （ 以 .mdl文 件 進 行 存 取 ） ， 進 而 進 行 仿 真 與 分 析 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 2 Simulink的 啟 動 (1） 在 MATLAB命 令 窗 口 中 輸 入 Simulink。 結 果 是 在 桌 面 上 出 現(xiàn) 一 個 稱 為

32、SimulinkLibraryBrowser的 窗 口 ， 在 這 個 窗 口 中 列 出 了 按 功 能 分 類 的 各 種 模 塊 的 名 稱 。 (2） 在 MATLAB主 窗 口 用 快 捷 按 鈕 打 開SimulinkLibraryBrowser窗 口 。 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 3 Simulink的 模 塊 庫 介 紹 Simulink模 塊 庫 按 功 能 進 行 分 類 ， 包 括 以 下 8類 子 庫 Linear（ 線 性 模 塊 ） ； Discrete（ 離 散 模 塊 ） ； Connections（ 連 接 模 塊 ） ； Demo

33、s（ 演 示 模 塊 ） ； Nonlinear（ 非 線 性 模 塊 ） ； Blocksetsx,y=meshgrid(x);z=x.*x+y.*y;surf(x,y,z);xlabel(x-axis),ylabel(y-axis),zlabel(z-axis);title(surf);x=-5:0.5:5;x,y=meshgrid(x); z=x.*x+y.*y;stem3(x,y,z);xlabel(x-axis),ylabel(y-axis),zlabel(z-axis);title(stem3); 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 99 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 100 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 101 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 102 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 103 6. 繪 制 顏 色 為 藍 色 ， 數(shù) 據(jù) 點 用 五 角 星 標 識 的 函 數(shù)xsinxey 第 2章 MATLAB基 礎 及 其 使 用 初 步 104