MATLAB實(shí)訓(xùn)報(bào)告 基于MATLAB語言編程的系統(tǒng)S平面分析.doc

MATLAB 語語言言編編程程實(shí)實(shí)訓(xùn)訓(xùn)報(bào)報(bào)告告 題 目 基于 MATLAB 語言編程的系統(tǒng) S 平面分析 系 別 年 級 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)時(shí)間 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 1 目目 錄錄 第一章 緒論 2 1 1 課題研究的目的與意義 2 1 2 社會背景和科技背景 2 1 2 1 社會背景 2 1 2 2 技術(shù)背景 3 1 3 實(shí)現(xiàn)的具體功能 4 第二章 課題基本概念和原理 5 2 1 MATLAB 5 2 2 系統(tǒng) S 平面分析的基本理論 5 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 8 3 1 采用的軟件及開發(fā)平臺 8 3 2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 8 3 2 1 MATLAB 中系統(tǒng) S 平面分析的基本函數(shù) 8 3 2 2 分析與實(shí)現(xiàn) 8 第四章 總結(jié)與體會 14 參考文獻(xiàn) 14 附錄 15 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 2 第一章第一章 緒論緒論 1 11 1 課題研究的目的與意義課題研究的目的與意義 1 熟悉 MATLAB 語言的使用 2 了解 MATLAB 在電子信息課程中的應(yīng)用 3 掌握 MATLAB 矩陣輸入 運(yùn)算以及 MATLAB 數(shù)值的運(yùn)算功能 4 掌握各種數(shù)據(jù)的創(chuàng)建 訪問 擴(kuò)建及縮減 5 熟練利用 MATLAB 語言編程對系統(tǒng) S 平面分析 1 21 2 社會背景和科技背景社會背景和科技背景 1 2 11 2 1 社會背景社會背景 21世紀(jì)將以科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展為特征 中華民族在國際大家庭的地位將取決于我國 的綜合國力 高速度高質(zhì)量地培養(yǎng)千千萬萬的技術(shù)人才 是其中一個(gè)十分重要的任務(wù) 要做 到這一點(diǎn) 就必須努力地吸取世界上一切優(yōu)秀的教育思想 教學(xué)手段 并創(chuàng)造性地應(yīng)用于我 們的教學(xué)事業(yè) 當(dāng)前 計(jì)算機(jī)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和制造業(yè)中 在發(fā)達(dá)國家中其普及率已經(jīng)超 過90 它成倍地提高了勞動生產(chǎn)率 創(chuàng)造了空前巨大的物質(zhì)文明 它把任何創(chuàng)新思想轉(zhuǎn)化 為市場的商品時(shí)間縮短了驚人的程度 新產(chǎn)的種類淘汰之快是 20 年前無法想像的 國際互 聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用加快了產(chǎn)業(yè)全球化的進(jìn)程 在這個(gè)極具挑戰(zhàn)的時(shí)代中 把計(jì)算機(jī)充分運(yùn)用 到教學(xué)及工程計(jì)算過程中 顯然具有重要的意義 我們知道 計(jì)算尺發(fā)明于1630年 在大學(xué)中計(jì)算尺已被使用了 300 多年 大約在 1970 年 左右被計(jì)算器完全代替 現(xiàn)在計(jì)算器在大學(xué)里已使用了30年 它被計(jì)算機(jī)所代替已是歷史 的必然 教學(xué)工具的每一次更新都大大地提高了教育的效率 因此 自覺地而不是被動地 加快計(jì)算機(jī)代替計(jì)算器的進(jìn)程 將對大學(xué)教學(xué)效率的提高起到重要的作用 在我國隨著計(jì)算機(jī)價(jià)格的不斷下降和國家對教育投入的加大 學(xué)校的裝備和學(xué)生個(gè)人 購買的計(jì)算機(jī)也越來越多 因此在幾年之內(nèi) 大學(xué)生自由地使用計(jì)算機(jī)設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn) 大 學(xué)本科課程中普遍使用計(jì)算機(jī)的瓶頸將是軟件 即使在目前 擁有計(jì)算機(jī)的教師和學(xué)生也 未必知道如何用計(jì)算機(jī)來幫助他們進(jìn)行課程教學(xué) 因此要從現(xiàn)在起做好準(zhǔn)備 為了把計(jì)算機(jī)更好地用于大學(xué)的課程教育和科學(xué)研究 從 20 世紀(jì) 80 年代開始 出現(xiàn)了 多種科學(xué)計(jì)算語言 也稱為數(shù)學(xué)軟件 經(jīng)過10多年的發(fā)展和競爭 已經(jīng)商品化的有 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 3 MATLAB Matrix Maple Mathmatica MathCAD 等 它們的功能大同小異 又各有千秋 就易 學(xué)性和普及性而言 首推 MATLAB 語言 1 2 21 2 2 技術(shù)背景技術(shù)背景 MATLAB是 矩陣實(shí)驗(yàn)室 MATRIX LAB ORATORY 的縮寫 由美國 MATHWORKS公司推出的一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序設(shè)計(jì)語言和科學(xué)計(jì)算軟件 適用于工程應(yīng)用和教學(xué)研究等領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算 與其它計(jì)算機(jī)語言相比 它 具有語句簡潔 編程效率高 強(qiáng)大而簡易的繪圖功能 有效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算 尤 其是擴(kuò)充能力強(qiáng) 正因?yàn)檫@些特點(diǎn) MATLAB已成為教學(xué)研究與工程應(yīng)用的不可缺少的 助手 自推出后即流行于歐美 MATLAB 語言的首創(chuàng)者 Cleve Moler 教授在數(shù)值分析 特別是在數(shù)值線性代數(shù)的領(lǐng) 域中很有影響 他參與編寫了數(shù)值分析領(lǐng)域一些著名的著作和兩個(gè)重要的 Fortran 程序 EISPACK 和 LINPACK 他曾在密西根大學(xué) 斯坦福大學(xué)和新墨西哥大學(xué)任數(shù)學(xué)與計(jì)算 機(jī)科學(xué)教授 1980 年前后 當(dāng)時(shí)的新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任 Moler 教授在講授線性代 數(shù)課程時(shí) 發(fā)現(xiàn)了用其他高級語言編程極為不便 便構(gòu)思并開發(fā)了 MATLAB MATrix LABoratory 即矩陣實(shí)驗(yàn)室 這一軟件利用了當(dāng)時(shí)數(shù)值線性代數(shù)領(lǐng)域最高水平的 EISPACK 和 LINPACK 兩大軟件包中可靠的子程序 用 Fortran 語言編寫了集命令翻譯 科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng) 早期的 MATLAB 是 Fortran 語言編寫的 只能作矩陣運(yùn)算 繪圖也只能用極其原始 的方法 即用星號描點(diǎn)的形式畫圖 內(nèi)部函數(shù)也只提供了幾十個(gè) 但即使其當(dāng)時(shí)的功能 十分簡單 當(dāng)它作為免費(fèi)軟件出現(xiàn)以來 還是吸引了大批的使用者 Cleve Moler 和 John Little 等人成立了一個(gè)名叫 The MathWorks 的公司 Cleve Moler 一直任該公司的首席科學(xué)家 該公司于1984年推出了第一個(gè) MATLAB 的商業(yè)版本 當(dāng)時(shí)的 MATLAB 版本已經(jīng)用 C 語言做了完全的改寫 其后又增添了豐富多彩的圖形圖像 處理 多媒體功能 符號運(yùn)算和它與其他流行軟件的接口功能 使得 MATLAB 的功能 越來越強(qiáng)大 The MathWorks 公司于 1992 年推出了具有劃時(shí)代意義的 MATLAB 4 0 版本 并于 1993 年推出了其微機(jī)版 可以配合 Microsoft Windows 一起使用 使之應(yīng)用 范圍越來越廣 1994 年推出的 4 2 版本擴(kuò)充了 4 0 版本的功能 尤其在圖形界面設(shè)計(jì)方 面更提供了新的方法 1997 年推出的 MATLAB 5 0 版允許了更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 如單元 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 多維矩陣 對象與類等 使其成為一種更方便編程的語言 1999 年 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 4 初推出的 MATLAB 5 3 版在很多方面又進(jìn)一步改進(jìn)了 MATLAB 語言的功能 2000年 10月底推出了其全新的 MATLAB 6 0 正式版 Release 12 在核心數(shù)值算法 界面設(shè)計(jì) 外部接口 應(yīng)用桌面等諸多方面有了極大的改進(jìn) 雖然 MATLAB 語言是計(jì)算數(shù)學(xué)專家 倡導(dǎo)并開發(fā)的 但其普及和發(fā)展離不開自動控制領(lǐng)域?qū)W者的貢獻(xiàn) 甚至可以說 MATLAB 語言是自動控制領(lǐng)域?qū)W者和工程技術(shù)人員捧紅的 因?yàn)樵?MATLAB 語言的發(fā) 展進(jìn)程中 許多有代表性的成就和控制界的要求與貢獻(xiàn)是分不開的 迄今為止 大多數(shù) 工具箱也都是控制方面的 MATLAB 具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力 方便實(shí)用的繪圖功能及 語言的高度集成性 它在其他科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用也是越來越廣 并且有著更廣闊的 應(yīng)用前景和無窮無盡的潛能 子曰 工欲善其事 必先利其器 如果有一種十分有效的 工具能解決在教學(xué)與研究中遇到的問題 那么 MATLAB 語言正是這樣的一種工具 它 可以將使用者從繁瑣 無謂的底層編程中解放出來 把有限的寶貴時(shí)間更多地花在解決 問題中 這樣無疑會提高工作效率 目前 MATLAB 已經(jīng)成為國際上最流行的科學(xué)與工 程計(jì)算的軟件工具 現(xiàn)在的 MATLAB 已經(jīng)不僅僅是一個(gè) 矩陣實(shí)驗(yàn)室 了 它已經(jīng)成為 了一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級編程語言了 有人稱它為 第四代 計(jì)算機(jī)語 言 它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色 1 31 3 實(shí)現(xiàn)的具體功能實(shí)現(xiàn)的具體功能 信號與系統(tǒng)是信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程 是以高等數(shù)學(xué)和工程數(shù)學(xué)為 基礎(chǔ) 課程中的許多計(jì)算和推導(dǎo) 諸如微分 積分 微分方程 差分方程求解 系統(tǒng)分 析 卷積 多項(xiàng)式求根等 借助MATLAB這軟件 可以簡化求解 快速分析 得出有助于 理解的 形象逼真的圖像與圖形 因此MATLAB在信號與系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛 在信號與系統(tǒng)中 經(jīng)常遇到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)框圖 結(jié)構(gòu)框圖中出現(xiàn)相互交叉的模塊 要 求我們根據(jù)系統(tǒng)的模擬框圖求系統(tǒng)函數(shù) 通常我們運(yùn)用梅森公式來求解 十分的麻煩 一不小心則全部出錯(cuò) MATLAB 提供了處理的方法 可靠 準(zhǔn)確 大大簡化了繁瑣的計(jì)算 過程 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 5 第二章第二章 課題基本概念和原理課題基本概念和原理 2 12 1 MATLABMATLAB MATLAB是目前國際上最流行 應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件 它由MATLAB語言 MATLAB工作環(huán)境 MATLAB圖像處理系統(tǒng) MATLAB數(shù)據(jù)函數(shù)庫 MATLAB應(yīng)用程序接口五大 部分組成的集數(shù)值計(jì)算 圖形處理 程序開發(fā)為一體的功能強(qiáng)大的系統(tǒng) 它應(yīng)用于自動 控制 數(shù)學(xué)計(jì)算 信號分析 計(jì)算機(jī)技術(shù) 圖像信號處理 財(cái)務(wù)分析 航天工業(yè) 汽車 工業(yè) 生物醫(yī)學(xué)工程 語音處理和雷達(dá)工程等各行業(yè) 也是國內(nèi)高校和研究部門進(jìn)行許 多科學(xué)研究的重要工具 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣 它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué) 工程中常用的形式十分相 似 故用MATLAB來解算問題要比用C FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多 MATLAB 是 矩陣實(shí)驗(yàn)室 MATrix LABoratoy 的縮寫 它是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語 言 能夠滿足科學(xué) 工程計(jì)算和繪圖的需求 與其它計(jì)算機(jī)語言相比 其特點(diǎn)是簡潔和 智能化 適應(yīng)科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習(xí)慣 使得編程和調(diào)試效率大大提高 它 用解釋方式工作 鍵入持續(xù)后立即得出結(jié)果 人機(jī)交互性能好 易于調(diào)試并被科技人員 所樂于接受 特別是它可適應(yīng)多種平臺 并且隨著計(jì)算機(jī)硬軟件的更新及時(shí)升級 因此 MATLAB語言在國外的大學(xué)工學(xué)院中 特別是頻繁進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的電子信息類學(xué)科中 已 經(jīng)成為每個(gè)學(xué)生都掌握的工具了 它大大提高了課程教學(xué) 解題作業(yè) 分析研究的效率 2 22 2 系統(tǒng)系統(tǒng) S S 平面分析的基本理論平面分析的基本理論 MATLAB在系統(tǒng)S平面分析中 一般是求系統(tǒng)函數(shù)的零極點(diǎn)分布圖 畫單位沖激響應(yīng)和 幅頻響應(yīng)的圖形 通常按常規(guī)方法這些波形很難畫出 但是應(yīng)用MATLAB就可簡便快捷的 畫出圖形 使系統(tǒng)的分析更加便捷 例如 已知系統(tǒng)函數(shù)為H 利用MATLAB畫出該系統(tǒng)的 零極點(diǎn)分布圖 求出該系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)和幅頻響應(yīng) 并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性 源程序如下 program 2 Impulse response amp itude 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 6 fequency response and stability analysis of LTI H s Bum 1 den 1 2 2 1 sys tf Bum den poles roots den figure 1 pzmap sys t O 0 02 10 h impulse Bum den t figure 2 plot t h xlabel t s ylabel h t title Im pulse Response H W freqs Bum den figure 3 plot W abs H xlabel ang freq omega rad s yla bel H j omega title Magnitude Respone grid on 程序運(yùn)行的結(jié)果如圖一 圖二 圖三所示 圖一 系統(tǒng)函數(shù)零極點(diǎn)分布圖形 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 7 圖二 系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng) 圖三 系統(tǒng)的幅頻響應(yīng) 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 8 第三章第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 3 13 1 采用的軟件及開發(fā)平臺采用的軟件及開發(fā)平臺 MATLAB7 0 計(jì)算機(jī) 3 23 2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 3 2 13 2 1 MATLABMATLAB 中系統(tǒng)中系統(tǒng) S S 平面分析的基本函數(shù)平面分析的基本函數(shù) a Laplace 拉普拉斯變換 語法 laplace F laplace F t fourier F w z 簡介 L laplace F 表示對 F 函數(shù)關(guān)于默認(rèn)自變量 t 做拉普拉斯變換 默認(rèn)結(jié)果是關(guān)于 s 的 函數(shù) 拉普拉斯變換完成了時(shí)域函數(shù)到頻域函數(shù)的轉(zhuǎn)換 L laplace F t 會令 L 為 t 的函數(shù) 而非默認(rèn)的 s L laplace F w z 規(guī)定 F 是關(guān)于 w 的函數(shù) 而 L 是關(guān)于 z 的函數(shù) b ilaplace 拉普拉斯逆變換 用法 F ilaplace L F ilaplace L y F ilaplace L y x 簡介 F ilaplace L 將 L s 變換成 F t F ilaplace L y 將 L s 變換為 F y 而非 F t F ilaplace L y x 將 L y 變換為 F x 3 2 23 2 2 分析與實(shí)現(xiàn)分析與實(shí)現(xiàn) 1 1 由系統(tǒng)函數(shù)零 極點(diǎn)分布決定時(shí)域特性 由系統(tǒng)函數(shù)零 極點(diǎn)分布決定時(shí)域特性 當(dāng) H s 極點(diǎn) 一階 中和的取值為 pj 0 06 0 03 0 06 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 9 時(shí) 畫出對應(yīng)于 h t 波形 并分析波形 0 5 0 25 0 解解 首先 根據(jù) s 域的函數(shù) H S 做拉普拉斯逆變換求出時(shí)域函數(shù) h t 繪制 h t 的 圖形 代碼及波形圖如下 1 clear clc 2 clear clc 3 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 06 0 5 j H 1 s 0 06 0 25 j H 1 s 0 06 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 4 clear clc 5 clear clc 6 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 03 0 5 j H 1 s 0 03 0 25 j H 1 s 0 03 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 7 clear clc 8 clear clc 9 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 5 j H 1 s 0 25 j H 1 s h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 10 10 clear clc 11 clear clc 12 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 03 0 5 j H 1 s 0 03 0 25 j H 1 s 0 03 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 13 clear clc 14 clear clc 15 clear clc syms s syms s syms s H 1 s 0 06 0 5 j H 1 s 0 06 0 25 j H 1 s 0 06 h real ilaplace H h real ilaplace H h real ilaplace H ezplot h ezplot h ezplot h 2 2 由系統(tǒng)函數(shù)零 極點(diǎn)分布決定頻率特性 由系統(tǒng)函數(shù)零 極點(diǎn)分布決定頻率特性 若 H s 零極點(diǎn)分布如圖 1 所示 討論他們是何種類型的濾波器 畫出其幅頻特性曲 線 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 11 0 j a 0 j b 0 j c 0 j d 0 j f 0 j 0 j 0 j e 1 j 1 j 1 j 1 j 2 j 2 j 2 j 2 j 系統(tǒng)零極點(diǎn)分布圖 a a 低通濾波器低通濾波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 0 w2 0 k 0 H 1 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H b b 低通濾波器低通濾波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 0 w2 0 k 0 H w 3 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 12 c c 低通濾波器低通濾波器 clear clc w 0 0 01 5 H w 3 w i 1 w i 2 plot w H d d 帶通濾波器帶通濾波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 2 w2 2 k 0 H w w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 13 e e 高通濾波器高通濾波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 2 w2 2 o1 3 o2 3 k 0 H w o1 w o2 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H grid on f f 高通濾波器高通濾波器 clear clc w 0 0 01 5 w1 2 w2 2 o1 3 o2 3 k 0 常熟理工學(xué)院實(shí)訓(xùn)報(bào)告 14 H w o1 w o2 w w1 i k 1 w w2 i k 2 plot w H grid on 第四章第四章 總結(jié)