计算机仿真技术作业与实验指导书材

《计算机仿真技术》实验指导书中北大学电气与控制工程学院2019.6实验一 面向方程的数值积分方法仿真一、实验目的通过实验，学习4阶龙格-库塔法的基本思路和计算公式，加深理解4阶龙格-库塔法的原理及其稳定域。

加深理解仿真的稳定性，仿真步长对仿真精度的影响。

二、实验内容1、线性定常系统[]1112223332010002001010060000600x x x x x u y x x x x -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦；)(1000)0()0()0(321t u x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡2、非线性系统 ()()()()()()()()x t rx t ax t y t y t sx t bx t y t =-⎧⎨=-+⎩其中：r=0.001, a=2⨯10-6, s=0.01, b=1⨯10-6, x(0)=12000, y(0)=600。

三、实验原理运用SIMULINK 仿真工具进行实验。

四、实验设备和仪器微型计算机、MATLAB 软件。

五、实验方法运行MA TLAB ，在MA TLAB 窗口中按SimuLink 按钮，启动SimuLink 库浏览器，在浏览器窗口上选create a new modem 命令，得到一个空模型，从Library: SimuLink 窗口中找到需要的模块，将这些模块拖到空模型窗口中。

将空模型窗口中的排好，并按要求连接。

在保存好的模型窗口中，选Simulation\Paramters 命令设置各模块的参数和仿真参数。

给模型取一个名字，保存起来。

选Simulation\Start 命令，进行仿真。

六、实验报告1、所采用方法的基本思路和计算公式。

2、仿真步骤及说明。

3、仿真过程及仿真结果分析要点：（1）学习4阶龙格-库塔法的基本思路和计算公式；（2）为了保证仿真的稳定，分析线性定常系统，其最大仿真步长为多少?4、实验的心得体会。

《控制系统计算机仿真》实验指导书实验一Matlab使用方法和程序设计一、实验目的1、掌握Matlab软件使用的基本方法；2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制4、熟悉Matlab程序设计的基本方法二、实验内容1、帮助命令使用help命令，查找qrt（开方）函数的使用方法；2、矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[12;34];B=[55;78];求A^2某B（2）矩阵除法已知A=[123;456;789];B=[100;020;003];A\B,A/B（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6某i,4,9-i];求A.',A'（4）使用冒号选出指定元素已知：A=[123;456;789];求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素；（5）方括号[]用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列3、多项式（1）求多项式p(某)=某3-2某-4的根（2）已知A=[1.2350.9;51.756;3901;1234]，求矩阵A的特征多项式;求特征多项式中未知数为20时的值；4、基本绘图命令（1）绘制余弦曲线y=co(t)，t∈[0，2π]（2）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=co(t-0.25)和正弦曲线y=in(t-0.5)，t∈[0，2π]5、基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的某1=10int曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）坐标轴控制：显示范围、刻度线、比例、网络线（3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本；6、基本程序设计（1）编写命令文件：计算1+2++n<2000时的最大n值；（2）编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到n次幂的和。

三、预习要求利用所学知识，编写实验内容中2到6的相应程序，并写在预习报告上。

实验二Matlab中控制系统的建模与分析一、实验目的1、掌握Matlab中连续、离散系统各种数学模型的建立方法；2、掌握Matlab中各种数学模型之间的转换方法；3、熟悉Matlab中控制框图的化简方法；4、掌握如何使用Matlab进行系统的稳定性分析；5、掌握如何使用Matlab进行系统的可控性、可观测性分析；6、掌握如何使用Matlab进行系统的时域数值分析；二、实验内容1、连续线性系统的数学模型建立及转换请用合适的格式，将下面的传递函数模型输入MATLAB环境，并转换成状态空间形式、零极点形式、画出零极点位置。

实验1 MATLAB语言平台及基本运算一．实验目的1．学习了解MATLAB语言环境；2．练习MATLAB命令的基本操作；3．练习m文件的基本操作；4．学习MATLAB的基本矩阵运算；5．学习MATLAB的点运算；二．实验指导原理1、常见数学函数如：输入x=[-4.85 -2.3 -0.2 1.3 4.56 6.75]，则ceil(x)= -4 -2 0 2 5 7fix(x) = -4 -2 0 1 4 6floor(x) = -5 -3 -1 1 4 6round(x) = -5 -2 0 1 5 72、系统的在线帮助（1）help 命令：1）.当不知系统有何帮助内容时，可直接输入help以寻求帮助:>> help（回车）2）.当想了解某一主题的内容时，如输入：>> help syntax （了解Matlab 的语法规定）3）.当想了解某一具体的函数或命令的帮助信息时，如输入：>> help sqrt （了解函数sqrt 的相关信息）（2）lookfor 命令现需要完成某一具体操作，不知有何命令或函数可以完成，如输入：>> lookfor line （查找与直线、线性问题有关的函数）3、常量与变量系统的变量命名规则：变量名区分字母大小写；变量名必须以字母打头，其后可以是任意字母，数字，或下划线的组合。

此外，系统内部预先定义了几个有特殊意义和用途的变量，见下表：（1）数值型向量（矩阵）的输入1）．任何矩阵（向量），可以直接按行方式输入每个元素：同一行中的元素用逗号（，）或者用空格符来分隔；行与行之间用分号（；）分隔。

所有元素处于一方括号（[ ]内；例1：>> Time = [11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10]>> X_Data = [2.32 3.43；4.37 5.98]2）．系统中提供了多个命令用于输入特殊的矩阵：上面函数的具体用法，可以用帮助命令help 得到。

计算机仿真技术实验指导书1计算机仿真技术实验指导书MATLAB是一种交互式的以矩阵为基本数据结构的系统。

在生成矩阵对象时，不要求明确的维数说明。

所谓交互式，是指MATLAB的草稿纸编程环境。

与C语言或FORTRON语言作科学数值计算的程序设计相比较，利用MATLAB可节省大量的编程时间。

本实验指导书主要讨论四个实验。

实验一信号与系统的时域分析以及信号合成与分解1. 实验目的(1) 连续时间信号的向量表示法和符号运算表示法，典型离散信号表示；(2) 连续信号和离散信号的时域运算与时域变换；(3) 连续系统和离散系统的卷积，以及冲激响应、阶跃响应、单位响应、零状态响应；(4) 周期信号的傅立叶级数分解与综合（以周期方波为例）；2. 实验原理与方法(1) 信号在MA TLAB中的表示方法MATLAB用两种方法来表示连续信号，一种是用向量的方法来表示信号，另一种则是符号运算的方法来表示信号。

用适当的MATLAB语句表示出信号后，就可以利用MATLAB的绘图命令绘制出直观的信号时域波形。

向量表示法表示信号的方法是：MATLAB用一个向量表示连续信号的时间范围，另一个向量表示连续信号在该时间范围内的对应样值。

如下列代码p=0.001;t=-pi:p:pi;f=1+cos(t);plot(t,f)title('f(t)=1+cos(t)')xlabel('t')axis([-pi,pi,-0.2,2.4])执行后即可绘制连续信号1+cos(t)的时域波形。

借助于符号运算以及符号绘图函数ezplot，也可以绘制连续信号时域波形。

如下列代码syms tf=sym('1+cos(t)') %定义符号表达式ezplot(f,[-pi,pi]) %绘制符号表达式波形set(gcf,'color','w') %设置当前图形背景颜色为白色执行后即可绘制连续信号1+cos(t)的时域波形。

计算机仿真技术作业与实验指导书(材2016)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：机电工程学院《计算机仿真技术》综合指导书学号：姓名：专业：实验时间：2016 年10 月 15 日实验地点：微101机电工程学院2016 年10 月⎢ ⎦ ⎨3作业一 MATLAB 运行环境与基本操作一、作业要求1．熟悉 M ATLAB 运行环境；2. 掌握 M ATLAB 的基本操作命令；3. 掌握 M ATLAB 帮助系统二、作业内容1.熟悉 M ATLAB 主界面，熟悉各菜单项、命令窗口、工作空间窗口、当前文 件夹窗口与路径设置、历史命令窗口、帮助系统。

2.建立“学号_姓名_作业”文件夹，并把文件夹设为当前文件夹； 在命令窗口中完成如下操作：3.分别用直接输入法和“：”法生成下列矩阵A = ⎡ 2⎡0.1 4 ⎤ ， B = ⎢1.4 0.3 4.4 0.5⎤ 7.4⎥ ； ⎣10 20⎥ ⎢ ⎢⎣2.2 4.4 ⎥ 6.6⎥⎦ 熟悉如下命令：clc,save,load,clear,who,whos,dir,cd,type 。

将矩阵 A 、B 和矩阵 A 分别保存为两个文件：T1_1,T1_1_A⎧ 4．求解线性方程组 ⎪ ⎪ ⎩ 4x + y - z = 9 x + 2 y - 6z = -2 x - 5y + 3z = 15.生成一组实验数据，求其拟合多项式（5 阶）。

6.利用 H elp 系统查询常用命令的用法。

0 2 dt 1作业二 MATLAB 基本编程实践一、作业要求1. 熟悉 M ATLAB 的数值运算与符号运算；2 . 掌握 M ATLAB 的基本语法；3. 掌握 M ATLAB 的基本控制结构；4. 掌握 M 文件的编写与调用； 二、作业内容1． 任意给定两矩阵，完成矩阵的四则运算和点运算。

中南林业科技大学物流学院实验报告书（实验）课程名称计算机仿真技术学生姓名：学号：指导教师：实验地点：实验时间：中南林业科技大学森林工程教研室制表前言计算机仿真技术实验习题中总共六组实验，要求同学课前认真预习，独立完成实验。

作完相应的实验后，将matlab/simulink相应的程序文档、运行过程和运行结果填到题目下方的空白处。

第一节上机初步掌握save和load命令的使用；熟悉文件管理命令；学会设置路径方法.第1题：题目：输入变量a＝5.3，b＝［1 2；3 4］，在工作空间中使用who,whos,exist,clear 命令，并用save命令将变量存入“D:\exe0101.mat”文件.程序文档、运行过程和运行结果：第2题：题目：使用文件管理命令dir,matlabroot,what,type,which查看“..\matlab”目录下的文件信息.程序文档、运行过程和运行结果：第3题:题目：学习设置MATLAB搜索路径的方法,将“D：\exe”目录添加到搜索路径中。

第二节矩阵操作熟练掌握MATLAB变量、矩阵的创建、运算等操作；熟悉多项式运算。

第1题：题目：输入矩阵A＝［1，2，3；4，5，6；7，8，9］使用全下标方式取出元素“3”，使用单下标方式取出元素“8”，取出后两行子矩阵块，使用逻辑矩阵方式取出［1 3；7 9］。

写出程序文档、运行过程和运行结果：第2题：题目：输入A 为3×3的魔方阵，B 为3×3的单位阵，由小矩阵组成3×6的大矩阵C 和6×3的大矩阵D ，将D 矩阵的最后一行构成小矩阵E 。

写出程序文档、运行过程和运行结果：第3题：题目：求解方程组123412412341234232836877225x x x x x x x x x x x x x x x -++=⎧⎫⎪⎪++=⎪⎪⎨⎬-++=⎪⎪⎪⎪+-+=⎩⎭写出程序文档、运行过程和运行结果：第4题：题目：计算函数()()2sin 4t f t t -=的值，其中t 的范围从0到2π步长取0.1π；z 为0.707；f1（t ）为f （t ）＞＝0的部分，计算f1（t ）的值。

《计算机仿真技术》课程设计指导书一、设计目的本课程设计是用实验的方法帮助学生更好地熟悉和掌握计算机仿真的基本原理和方法；通过综合应用所学知识，实现一些智能优化算法的经典方法，以及智能优化算法的基本应用；同时提高学生编写实验报告、总结实验结果的能力；使学生对计算机仿真和智能优化算法的相关理论和方法有更深刻的认识。

二、设计题目与设计内容1. 用遗传算法求解TSP问题TSP问题是一个典型的组合优化问题，遗传算法在求解这类问题上具有很好的表现。

学生必需自己设计染色体的编码和适应度函数的定义，在此基础上实现最优解的搜索。

设计要求如下：(1)能输入城市的数目；(2)实现寻优过程的动态演示；(3)合理设计交叉变异算子，避免出现非法路线；(4)能对选择、交叉和变异等的概率进行设置；(5)能显示历代最优、最差和平均解的统计图。

2. 差异进化算法求解约束优化问题约束优化问题是工程和科学领域经常会遇到的一类优化问题。

差异进化算法已被广泛应用于求解这类问题。

约束优化问题的任务是在可行域内找到指定目标函数的最优解。

学生要求设计惩罚函数和优化算法中的算子。

具体设计要求如下：(1)用惩罚函数处理约束优化问题中的约束条件；(2)用差异进化算法完成求解；(3)对结果进行分析，并发现算法可能存在的问题，并对算法进行改进；(4)对算法中存在的参数进行敏感性分析；(5)给出不同搜索算法的对比结果。

3. 粒子群优化算法求解多目标优化问题现实生活中的优化问题大都存在多个目标，因而研究多目标优化问题的求解具有十分重要的理论与实际意义。

多目标优化问题的最优解一般为无穷多个。

粒子群优化算法是模拟鸟群寻找食物而产生的一种智能优化算法。

学生要求利用粒子群优化算法求解多目标优化问题。

设计要求如下：(1)深刻理解多目标优化问题的求解思路；(2)设计多目标优化问题的适应值函数；(3)设计粒子群优化的进化算子；(4)利用粒子群优化算法求解多目标优化问题；(5)分析算法中参数的敏感性并进行试验比较。

计算机仿真实验指导书计算机仿真实验指导书主编：范为幅中原工学院电子信息学院二 0 一二年十月前言《计算机仿真》课程是近几十年发展的一门综合性技术学科，尤其对自动控制系统进行分析设计和综合研究提供了先进的手段，这门课程涉及到计算机原理、数值分析、自动控制理论以及控制系统设计等诸方面的内容，是一门综合性与实践性较强的专业课。

由于本门课程是一门综合性实验学科，具有很强的实验性的特点，在教学过程中应特别注意加强实验环节，配合课堂教学的进程，加强理论与实践紧密结合，学以致用。

为此我们编写了计算机仿真实验指导书，作为上机实验参考。

《计算机仿真》实验包括六个上机实验，供我院自动化类专业教学选用。

实验内容包括：面向系统结构图的仿真程序调试、初试MATLAB、基于MATLAB的系统时域分析、系统的根轨迹与频域分析、SIMULINK设计、基于MATLAB的系统分析与设计。

本书由范为福老师编写，王东云、王小雷、张谦老师审核。

1目录第一章概述……………………………………………………………………3 第二章实验要求及注意事项…………………………………………………4 第三章实验项目………………………………………………………………5 实验一面向系统结构图的仿真程序调试……………………………………5 实验二初试MATLAB ……………………………………………………………9 实验三基于MATLAB的系统时域分析…………………………………………12 实验四系统的根轨迹与频域分析……………………………………………15 实验五 SIMULINK设计…………………………………………………………13 实验六基于MATLAB的系统分析与设计………………………………………13 第四章上机实验涉及的程序清单及常用命令函数..............................16 第五章参考文献 (22)2第一章概述控制系统的计算机仿真是分析、研究、设计自动控制系统的一种快速而经济的辅助手段，同时它还是控制系统教育和训练的一种有效方法，是从事自动控制研究与工程设计技术人员必须掌握的一门技术,因而在自动控制领域中已得到广泛的重视与应用。

实验二初试MATLAB一、实验目的1．熟悉视窗下的MATLAB环境；2．掌握MATLAB软件的基本使用方法；3．应用MATLAB命令建立系统数学模型；4．掌握利用MATLAB软件进行控制系统模型转换的方法。

二、实验属性（验证性）三、实验仪器设备及器材1．硬件要求基于IBM-PC或与之完全相兼容的带有中央处理器的奔腾及其以上机器至少64KB内存，推荐使用128KB以上内存。

2．软件要求安装有MATLAB，并且有Microsoft Word7.0（office95）以上支持的操作系统。

四、实验要求实验前要求熟悉相关MATLAB函数并预习实验的相关内容，写出预习报告。

实验时要按要求完成上机实验内容并且检验和调整程序，观察并记录仿真结果。

实验后写出实验报告，并对仿真实验结果进行分析、讨论。

五、实验内容与步骤1．双击MATLAB6.5的图标，运行MATLAB时，展示在用户面前的为桌面环境的缺省界面窗口，如图2-1所示。

图2-1 MATLAB的桌面环境要求熟悉视窗下的MATLAB环境，分别观察和熟悉菜单项、工具栏、历史命令窗口、命令窗口、当前目录浏览器、工作空间浏览器、目录分类窗口、M文件编辑器/调试器、超文本帮助浏览器。

2．单击工具栏中帮助按钮（或者单击Help菜单中的MATLAB Help），打开MATLAB6.5的帮助系统，练习和熟悉MATLAB6.5的帮助系统的使用。

3．应用MATLAB命令编写相应M文件,建立图2-2系统的数学模型——闭环传递函数。

程序代码如下：G1=tf([1],[0.01,1]);G2=tf([0.17,1],[0.085,0]);G3=tf([1],[0.01,1]);G4=tf([0.15,1],[0.051,0]);G5=tf([70],[0.0067,1]);G6=tf([0.21],[0.15,1]);G7=tf([130],[1,0]);G8=0.212;G9=tf([0.1],[0.01,1]);G10=tf([0.0044],[0.01,1]);G23=G2*G3;G45=G4*G5;G97=G9/G7;G67=G6*G7;GG1=feedback(G67,G8,-1);GG2=G45*GG1;GG3=feedback(GG2,G97,-1);GG4=GG3*G23;GG5=feedback(GG4,G10,-1);GG6=GG5*G1实验三基于MATLAB的系统时域分析实验目的1．熟悉MATLAB的各种绘图命令；2．掌握基于MATLAB的控制系统时域分析方法。