机械控制工程基础实验
指导书
Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】
河南机电高等专科学校《机械控制工程基础》
实验指导书
专业：机械制造与自动化、起重运输机械设计与制造等
机械制造与自动化教研室编
2012年12月
目录
实验任务和要求
一、自动控制理论实验的任务
自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：
1、通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概
念、控制系统的分析方法和设计方法；
2、重点学习如何利用MATLAB工具解决实际工程问题和
计算机实践问题；
3、提高应用计算机的能力及水平。
二、实验设备
1、计算机
2、MATLAB软件
三、对参加实验学生的要求
1、阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解内容和方法。
2、按实验指导书要求进行操作；在实验中注意观察，记录有关数据和图
像，并由指导教师复查后才能结束实验。
3、实验后关闭电脑，整理实验桌子，恢复到实验前的情况。
4、认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹
要清楚，画曲线要用坐标纸，结论要明确。
5、爱护实验设备，遵守实验室纪律。
实验模块一 MATLAB基础实验
——MATLAB环境下控制系统数学模型的建立
一、预备知识
的简介
MATLAB为矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
来源：20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler 为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由
Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。
地位：和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，在数学类科技应用软件中，在数值计算方面首屈一指。
功能：矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。
应用范围：工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
图1-1 MATLAB图形处理示例
的工作环境
启动MATLAB，显示的窗口如下图所示。
MATLAB的工作环境包括菜单栏、工具栏以及命令运行窗口区、工作变量区、历史指令区、当前目录窗口和M文件窗口。
(1)菜单栏用于完成基本的文件输入、编辑、显示、MATLAB工作环境交互性设置等操作。
(2)命令运行窗口“Command Window”是用户与MATLAB交互的主窗口。窗口中的符号“》”表示MATLAB已准备好，正等待用户输入命令。用户可以在“》”提示符后面输入命令，实现计算或绘图功能。
说明：用户只要单击窗口分离键，即可独立打开命令窗口，而选中命令窗口中Desktop菜单的“Dock Command Window”子菜单又可让命令窗口返回桌面（MATLAB桌面的其他窗口也具有同样的操作功能）；在命令窗口中，可使用方向
键对已输入的命令行进行编辑，如用“↑”或“↓”键回到上一句指令或显示下一句命令。
（3）工作变量区“Workspace”指运行MATLAB程序或命令所生成的所有变量构成的空间。用户可以查看和改变工作变量区的内容。包括变量的名称、数学结构，该变量的字节数及类型。
（4）历史指令区“Command History”显示命令窗口中所有执行过的命令。一方面可以查看曾经执行过的命令；另一方面可以重复利用原来输入的命令行。
图1-2 MATLAB的系统界面（一）
（5）当前目录窗口“Current Directory”显示当前用户工作所在的路径，窗口包括菜单栏、当前目录设置区、工具栏和文件的详细列表。
图1-3 MATLAB的系统界面（二）
的M文件
所谓M文件，就是用户把要实现的命令写在一个以.m为扩展名的文件中。与在命令窗口中输入命令行方式相比，M文件的优点是可调试、可重复使用。在打开的M文件窗口中输入程序，用Debug和Breakpoints菜单中的选项，就可以进行单步运行、分段运行、设置和取消断点等对程序进行调试。
M文件分为函数式M文件和程序式M文件。一般来说，程序式M文件用于把很多需要在命令窗口输入的命令放在一起，就是命令的简单叠加；而函数式 M文件用于把重复的程序段封装成函数供用户调用。
建立：由Matlab桌面的File菜单可以打开或新建一个M文件窗口。下面是一个程序式M文件的例子。在新建立的M文件窗口输入下列命令行，并以文件名保存。在Matlab的命令窗口键入“flower”，将会执行该文件画出图形。
例1：程序式M文件
th=-pi::pi;
polar(th,rho)
调用该命令文件时，不需要输入参数，文件自身可建立需要的变量。当文件执行完毕后，变量th和rho保存在工作变量区。
例2：函数式文件
function c=myfile(a,b);
一旦函数式M文件建立，在MATLAB 的命令窗口或在其他文件中，就可以用下列命令调用：
a=4；
b=3；
执行结果为：
c=
其中，function是函数文件的关键字，表明该文件为函数文件；c是输出参数；myfile为函数名（文件名应与函数名相同，即）；a，b为输入变量。
二、实验目的
1.熟悉MATLAB实验环境，掌握MATLAB命令窗口的基本操作。
2.掌握MATLAB建立控制系统数学模型的命令及模型相互转换的方法。
3.掌握使用MATLAB命令化简模型基本连接的方法。
三、实验原理
控制系统常用的数学模型有四种：传递函数模型（tf对象）、零极点增益模型（zpk对象）、结构框图模型和状态空间模型（ss对象）。经典控制理论中数学模型一般使用前三种模型，状态空间模型属于现代控制理论范畴。
1.传递函数模型（也称为多项式模型）
连续系统的传递函数模型为：
在MATLAB中用分子、分母多项式系数按s的降幂次序构成两个向量：
num = [ b0 , b1,…, b m ] ，den = [ a0 , a1,…, a n]。
