《MATLAB仿真技术》实验指导书2016附问题详解

实验项目及学时安排
实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算 2学时实验二 MATLAB数值计算实验 2学时实验三 MATLAB数组应用实验 2学时实验四 MATLAB符号计算实验 2学时实验五 MATLAB的图形绘制实验 2学时实验六 MATLAB的程序设计实验 2学时实验七 MATLAB工具箱Simulink的应用实验 2学时实验八 MATLAB图形用户接口GUI的应用实验 2学时实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算
一、实验目的
1．熟悉MATLAB开发环境
2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算
二、实验基本知识
1.熟悉MATLAB环境:
MATLAB桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览器、文件和搜索路径浏览器。

2.掌握MATLAB常用命令
3.MATLAB变量与运算符
变量命名规则如下：
（1）变量名可以由英语字母、数字和下划线组成
（2）变量名应以英文字母开头
（3）长度不大于31个
（4）区分大小写
MATLAB中设置了一些特殊的变量与常量，列于下表。

MATLAB运算符，通过下面几个表来说明MATLAB的各种常用运算符
4.MATLAB的一维、二维数组的寻访
表6 子数组访问与赋值常用的相关指令格式
5.MATLAB的基本运算
表7 两种运算指令形式和实质涵的异同表
6.MATLAB的常用函数
表8 标准数组生成函数
表9 数组操作函数
三、实验容
1、学习使用help命令，例如在命令窗口输入help eye，然后根据帮助说
明，学习使用指令eye（其它不会用的指令，依照此方法类推）
2、学习使用clc、clear，观察command window、command history和
workspace等窗口的变化结果。

3、初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如
exerc1、exerc2、 exerc3……），学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。

注意：每一次M-file的修改后，都要存盘。

（1） help rand，然后随机生成一个2×6的数组，观察并记录command window、command history和workspace等窗口的变化
结果。

（2）学习使用clc、clear，了解其功能和作用。

（3）输入C=1:2:20，则C（i）表示什么？其中i=1,2,3, (10)
（4）输入A=[7 1 5；2 5 6；3 1 5]，B=[1 1 1; 2 2 2; 3 3 3]，在命令窗口中执行下列表达式，记录其结果：
A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A^2 A.^2 B/A B./A
（5）二维数组的创建和寻访，创建一个二维数组（4×8）A，查询数组A第2行、第3列的元素，查询数组A第2行的所有元素，查询
数组A第6列的所有元素。

（6）两种运算指令形式和实质涵的比较。

设有3个二维数组A
2×4，B
2×
4，C
2×2
，写出所有由2个数组参与的合法的数组运算和矩阵指令。

A+B; A-B C*A, C*B A/B A.*B A.+B
A.-B A./B A.^B…A\B
（7）学习使用表8列的常用函数（通过help方法）
（8）学习使用表9数组操作函数。

（9）用reshape指令生成下列矩阵，并取出方框的数组元素。

实验二 MATLAB数值计算实验
•实验目的
1、了解伴随矩阵、稀疏矩阵、魔方矩阵、对角矩阵等各种矩阵的创建，掌握矩阵的基本运算
2、掌握矩阵的数组运算
3、掌握多项式的基本运算
4、会求解代数方程
•实验基本知识
1、创建矩阵的方法：直接输入法、用MATLAB函数创建矩阵
2、矩阵运算：矩阵加、减（＋,－）运算
矩阵乘（）运算
矩阵乘方
inv ——矩阵求逆
det ——行列式的值
eig ——矩阵的特征值
diag ——对角矩阵
’——矩阵转置
sqrt ——矩阵开方
3、矩阵的数组运算：
数组加减(.+,.-)：对应元素相加减
数组乘(）：a，b两数组必须有相同的行和列，两数组相应元素相乘
数组除（./，.\）：a./b=b.\a —都是b的元素被a的对应元素除（a
除以b）
a.\b=
b./a —都是a的元素被b的对应元素除（b除以a）
数组乘方(.^)：元素对元素的幂
数组点积（点乘）：维数相同的两个向量的点乘，其结果是一个标量
数组叉积：就是一个过两个相交向量的交点且垂直于两个向量所在平面的向量
数组混合积:先叉乘后点乘
4、多项式运算
poly ——产生特征多项式系数向量
roots ——求多项式的根
p=poly2str(c,‘x’)（以习惯方式显示多项式）
conv,convs——多项式乘运算
deconv——多项式除运算
多项式微分
polyder(p): 求p的微分
polyder(a,b): 求多项式a,b乘积的微分
[p,q]=polyder(a,b): 求多项式a,b商的微分
5、代数方程组求解
1）.恰定方程组的解
方程ax=b(a为非奇异)两种求解方法： x=inv(a)b —采用求逆运算解方程
x=a\b —采用左除运算解方程2）超定方程组的解
方程 ax=b ,m<n时此时不存在唯一解。

x=(a' a)-1 a ' b ——求逆法
3）欠定方程组的解
MATLAB可求出两个解：用除法求的解x是具有最多零元素的解是具有最小长度或数的解，这个解是基于伪逆pinv求得的。

6、复数运算：复数的实虚部、模和幅角计算
real_z=real(z)
image_z=imag(z)
magnitude_z=abs(z)
angle_z_radian=angle(z) %弧度单位
angle_z_degree=angle(z)*180/pi %度数单位
三、实验容
1、生成一个3行3列的随机矩阵，并逆时针旋转90°，左右翻转，上下翻转。

2、已知a=[1 2 3]，b=[4 5 6]，求a.\b和a./b
3、数组和矩阵有何不同？
数组中的元素可以是字符等，矩阵中的只能是数，这是二者最直观的区别。

从外观形状和数据结构上看，二维数组和数学中的矩阵没有区别。

但是矩阵作为一种变换或映射算子的体现，矩阵运算有着明确而严格的数学规则。

而数组运算是Matlab软件所定义的规则，其目的是为了数据管理方便、操作简单、指令形式自然和执行计算的有效。

虽然数组运算尚缺乏严谨的数学推理，而且数组运算仍在完善和成熟中，但是它的作用和影响正随着matlab的发展而扩大。

4、已知a=[1 2 3;4 5 6;7 8 0]，求其特征多项式并求其根。

5、求解方程 1）
2）
6、用两种方法创建符号矩阵，A =[ a, 2*b]
[3*a, 0]
7、对符号方程f = ax2+bx+c 求解 1）对x求解；2）对a求解。

8、求解微分方程。

实验三 MATLAB数组应用实验
•实验目的
1、掌握字符串数组、单元数组创建及显示、结构数组创建及访问
2、掌握符号表达式的微分和积分运算
•实验基本知识
•字符串数组相关命令
•直接输入法---用单引号或者大括号+单引号
•disp(S)法---S是字符串，作用是显示出S的文本
•char(S)法---S是字符串，作用是显示出S的文本
•input(out,in)法---显示出字符串out的文本并等待终端的输入，in 可缺省
•在字符串中用两个单引号来表示一个单引号
•findstr(S1,S2)---在较长字符串里查找较短字符串所在的位置并返回位置值
•str2mat()---字符串转换成矩阵
•str2num()、num2str()---字符串与数值互相转换
•单元数组相关命令
•直接创建法---使用大括号{ }、对细胞元素直接赋值
•cell(m,n)---创建一个m*n的空细胞矩阵（所有行的细胞数必须相同）•celldisp()---逐个显示cell中的每个元素值
•cellplot(C)---用彩色的图形来显示单元型变量C的结构形式
•结构数组相关命令
•直接输入法---使用“.”将结构变量名和元素名连接
格式：struct_name(record#).field_name = data
•S = struct(‘field1’,V1,’field2’,V2,…)---field为各成员变量名，V为对应的各成员变量的容
•S = rmfield(S,fields)---将结构数组S中的fields项删除，仍用数组名S表示
•结构体名称.数组名称---在结构数组中调用元素项
• C = strcuct2cell(S)、S = cell2struct(C)---结构数组与单元数组的转换
•map容器
•mapobj = containers.Map({‘key1’,’key2’,…},{‘val1’,’val2’,…})---创建map对象
•keys()、values()---查看map对象
•existingmapobj(newkeysname) = newvalue --- 在一个map对象中添加新元素
•remove(mapname,’keyname’) --- 从一个map对象中删除keys/values对
三、实验容
•创建一个名为S、容为“matlab programming for engineers.”的字符串，并查找字符串S中字母为“g”出现的位置以及出现的次数。

•
•
•创建大小为2╳2的单元数组，其元素分别为：字符串（‘Sun Yang’,‘Liu Wen’）、字符串数组（char(‘2012001’,’2012002’)）、数值矩阵（(85 89 90;80 87 88)）和细胞数组（’Maths’,’Maths’,’Matlab’）。

•
•
•创建一个数组名为student的结构数组，其容如下表所示：ID Name Age Sex Score 3001zhao20F90
3002wang21M86
3003yang18F88
3004liu19F80
实验四 MATLAB符号计算实验•实验目的
1、掌握创建符号表达式和矩阵的方法
2、掌握符号表达式的微分和积分运算
•实验基本知识
1、符号矩阵的创建
1）用matlab函数sym创建矩阵（symbolic 的缩写)
命令格式：A=sym('[ ]')
2）用字符串直接创建矩阵
2、符号矩阵的修改
直接修改：可用、键找到所要修改的矩阵，直接修改
3、符号矩阵与数值矩阵的转换
将数值矩阵转化为符号矩阵，函数调用格式：double(A)
将符号矩阵转化为数值矩阵，函数调用格式： numeric(A)
4、符号微积分与积分变换
diff(f) —对缺省变量求微分
diff(f,v) —对指定变量v求微分
diff(f,v,n) —对指定变量v求n阶微分
int(f) —对f表达式的缺省变量求积分
int(f,v) —对f表达式的v变量求积分
int(f,v,a,b) —对f表达式的v变量在（a,b)区间求定积分
5、符号代数方程求解
solve(f) ——求一个方程的解
solve(f1,f2, …fn) ——求n个方程的解
6、符号微分方程求解指令：dsolve
命令格式：dsolve(f,g)： f ——微分方程，可多至12个微分方程的求解；
g为初始条件，默认自变量为 'x',可任意指定
自变量't', 'u'等，微分方程的各阶导数项以大
写字母D表示
三、实验容
1、用符号方法求下列极限
1）
2）
2、用符号方法求下列积分
1）
2）
实验五 MATLAB的图形绘制实验
一、实验目的
1、学习MATLAB二维、三维图形绘制的基本方法；
2、熟悉和了解MATLAB图形绘制程序编辑的基本指令；
3、熟悉掌握利用MATLAB图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注；
4、掌握clf、plot、plot3、subplot、hold、figure、gtext、mesh、surf、cylinder、sphere、polar、bar、hist、pie、area、fill、scatter、stairs、stem、contour等的指令格式和语法。

二、实验基本知识
1、plot(x,y)------绘制由x,y所确定的曲线；
2、多组变量绘图：plot(x1, y1, 选项1, x2, y2, 选项2, ……)；
3、双Y轴绘图：plotyy()函数；
4、图形窗口的分割；
5、图形编辑窗口的使用。

三、实验容
（1）绘制下列函数二维图形。

y=k*cos(t),t∈[0,2π],k∈[0.4,1],分布以plot(t,y)、plot(t)、plot(y)、plot(y,t)产生图形并记录观察其不同。

（2）绘制连续调制波形Y=sin(t)sin(9t) 及其包络线。

（参考）
（3）绘制向量x=[1 3 0.5 2.5 2]的饼形图，并把3对应的部分分离出来。

（4）绘制参数方程x=t,y=sin(t),z=cos(t)在t=[0 7]区间的三维曲线。

（5）用hold on命令在同一个窗口绘制曲线y=sin(t)，y1=sin(t+0.25)，y2=sin(t+0.5)，其中t∈[0 10]。

（参考)
（6）使用sphere()函数产生球面坐标，绘制网线图和表面图。

实验六 MATLAB的程序设计实验
一、实验目的
1、熟悉MATLAB程序编辑与设计环境
2、掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法
3、函数文件的编写和设计
4、了解和熟悉跨空间变量传递和赋值
二、实验基本知识
1、程序流程控制语句
for循环结构
语法：for i＝初值：增量：终值
语句1;
……;
语句n;
end
说明：1．i＝初值：终值，则增量为1。

2．初值、增量、终值可正可负，可以是整数，也可以是小数，
只须符合数学逻辑。

while 循环结构
语法：while 逻辑表达式
循环体语句
end
说明：1、whiIe结构依据逻辑表达式的值判断是否执行循环体语勾。

若表达式的值为真，执行循环体语句一次、在反复执行时，每次都要
进行判断。

若表达式的值为假，则程序执行end之后的语句。

2、为了避免因逻辑上的失误，而陷入死循环，建议在循环体语句
的适当位置加break语句、以便程序能正常执行。

（执行循环体
的次数不确定；每一次执行循环体后，一定会改变while后面所
跟关系式的值）
3、while循环也可以嵌套、其结构如下：
while逻辑表达式1
循环体语句1
while逻辑表达式2
循环体语句2
end
循环体语句3
end
if-else-end分支结构
if 表达式 1
语句1
else if 表达式 2(可选)
语句2
else(可选)
语句3
end
end
说明：1.if结构是一个条件分支语句，若满足表达式的条件，则往下执行；
若不满足，则跳出if结构。

2．else if表达式2与else为可选项，这两条语句可依据具体情况取舍。

3．注意：每一个if都对应一个end，即有几个if，记就应有几个end。

switch-case结构
语法：switch表达式
case常量表达式1
语句组1
case常量表达式2
语句组2
……
otherwise
语句组n
end
说明： 1．switch后面的表达式可以是任何类型，如数字、字符串等。

2．当表达式的值与case后面常量表达式的值相等时，就执行这个case后面的语句组如果所有的常量表达式的值都与这个表达
式的值不相等时，则执行otherwise后的执行语句。

程序流程控制指令：
break、return、pause
2、函数文件的结构和编写方法
函数只能在函数体对变量进行操作，也就是只能访问函数本身工作空间中的变量。

M函数文件的结构
（1）函数定义行（function）
（2） H1行（函数帮助文本的第一行）
（3）函数帮助文本
（4）函数体
（5）注释
函数文件编写后，保存时，其文件名必须与函数名相同。

注意：函数名不要与MATLAB自身的函数命令相同。

三、实验容：
1、用for循环语句实现求1～100的和。

2、用循环语句实现编写一个求n阶乘的函数文件。

3、已知一维数组A=[2,4,5,8,10],B=[4,6,9,3,4]，用for循环语句实现。

求和函数可用sum()。

.
实验七 MATLAB工具箱Simulink的应用实验
一、实验目的：
1、熟悉SIMULINK 工作环境及特点
2、掌握线性系统仿真常用基本模块的用法
3、掌握SIMULINK 的建模与仿真方法
二、实验基本知识：
1、了解SIMULINK模块库中各子模块基本功能
2、SIMULINK 的建模与仿真方法
（1）打开模块库，找出相应的模块。

鼠标左键点击相应模块，拖拽到模型窗口中即可。

（2）创建子系统：当模型大而复杂时，可创建子系统。

（3）设置仿真控制参数。

三、实验容
1、建立实现y=sin2tsin3t的Simulink模型，并进行仿真分析，相应的输入输
出曲线在示波器上显示。

2、根据下列要求和图，完成以下任务：
（1）在Simulink集成环境下建立模型，在给定信号作用点处输入单位给定
阶跃响应信号，0.3秒后在扰动信号点输入单位阶跃响应信号，并绘制
相应的响应曲线。

（2）计算仿真结果的超调量、上升时间、峰值时间、稳态误差。

超调量:mp=(1.2072-0.99)/0.99 上升时间:ts= 1.1222 峰值时间:tp=1.2797 稳态误差:ess=1-0.99=0.01
实验八 MATLAB图形用户接口GUI的应用实验
•实验目的
1、掌握GUIDE界面环境、GUI的创建过程、GUI的菜单设计和对话框设计•实验基本知识
详细参见书本P278页的第11章。

三、实验容
•设计一个GUI界面“huatu”，其界面布局如下图所示，包括显示“正弦函数”、“余弦函数”、“拟合系数”、“拟合图”字样的四个按钮；1个“编辑文本框”（使用enable属性）来显示“拟合系数”；3个坐标轴，分别用来显示“正弦函数”、“余弦函数”、“拟合图”对应的图形。