现代测控技术实验

实验一 熟悉MATLAB 工作环境

一、实验目的

1.熟悉启动和退出MATLAB 软件的方法。

2.熟悉MATLAB 软件的运行环境。

3.熟悉MATLAB 的基本操作。

二、实验设备

计算机一台（带有MATLAB6.5以上的软件环境）。

三、实验内容

1.练习下面指令：

cd,clear,dir,path,help,who,whos,save,load 。

2.建立自己的工作目录MYBIN 和MYDATA ，并将它们分别加到搜索路径的前面或者后面。

3.求23)]47(*212[÷-+的算术运算结果。

4.M 文件的建立，建立M 文件，求出下列表达式的值：

5.利用MATLAB 的帮助功能分别查询inv 、plot 、max 、round 函数的功能和用法。

四、运行环境介绍及注意事项

1.运行环境介绍

打开Matlab 软件运行环境有图1-1所示的界面。

??

????-+=++=+=

545.0212),1ln(21185sin 22

22

1i x x x z e z o

其中

图1-1 MATLAB的用户界面

图1-1 MATLAB用户界面中有File、Edit、View、Web、Windows、Help六个主菜单，每一个菜单之下又各有下一级子菜单。1为当前路径选择窗口，可点击打开文件夹选择框选择当前工作路径。2中内容可通过点击3和4分别显示分类帮助文件夹和工作空间，工作空间窗口显示当前已经定义的变量值。5中内容可通过点击6和7分别显示指令历史记录与当前目录下文件。8为指令窗口，在符号“>>”后键入指令，执行相关动作，本次实验内容便在指令窗口内输入并运行，每输完一条指令，回车即执行。

2.在指令窗操作时应特别注意以下几点

1）所有输入的指令、公式或数值必须按下回车键以后才能执行。例如：

>>(10*19+2/4-34)/2*3 （回车）

ans=

234.7500

2）所有的指令、变量名称都要区分字母的大小写。

3）%作为MATLAB注释的开始标志，以后的文字不影响计算的过程。

4）应该指定输出变量名称，否则MATLAB会将运算结果直接存入默认的输出变量名ans。

5）MATLAB可以将计算结果以不同的精确度的数字格式显示，可以直接在指令视窗键入不同的数字显示格式指令。例如：

>>format short (这是默认的)

一次输入的指令重新出现，之后再按Enter键，即再执行前一次的指令。而↓键的功用则是往后执行指令。其它在键盘上的几个键如→、←、Delete、Insert其功能则显而易见，无须多加说明。

7）当要暂时执行作业系统（例如Dos）的指令而还要执行MATLAB，可以利用!加上原作业系统的指令，例如 !dir, !format a: 。

3.help命令的使用

一旦发现指令不知如何使用时，help命令将告诉你如何使用。在指令窗中键入（help+指令名称）就可使用MATLAB的帮助系统，这是最快捷的取得帮助的途径。例如：

>> help tan

TAN Tangent.

TAN(X) is the tangent of the elements of X.

See also atan, tand, atan2.

Overloaded functions or methods (ones with the same name in other directories)

help sym/tan.m

Reference page in Help browser

doc tan

4.M文件的保存

当保存M文件时，文件名不能以数字开头，更不能以纯数字命名M文件，例如把一个M文件命名为54.m，则不管文件内容是什么，运行结果总是ans =54。

5.结束MATLAB：

1）点击操作桌面窗口右上角的号；

2）在指令窗键入quit后回车；

3）点击File菜单下的Exit MATLAB菜单项。

如果你是个初学者，可在指令窗键入demo，将会出现下图所示的界面，这可是学习的好帮手。

实验二基本绘图练习

一．实验目的

1．熟悉Matlab强大的图形处理功能；

2．掌握应用Matlab实现二维图形和三维图形的绘制和控制与表现方法。

二、实验设备

计算机一台（带有MATLAB6.5以上的软件环境）。

三．实验内容

1、y1=sin(x)（02

xπ

xπ

≤≤），等间隔取100个数据点，在同≤≤），y2=cos(x) （02

一个图形窗口中分别绘制以下曲线：

(1) 用钻石符号标记数据点的红色实线画y1曲线；

(2) 用五角星符号标记数据点的蓝色虚线画y2曲线；

β和cos()β的曲线”

(3) 标注图名“sin()

β”、“cos()β”

(5) 标注两条曲线分别为“sin()

(6) 标注x轴“β”，标注y轴“sin()β和cos()β”

(7) 利用鼠标拖动完成标注“→”

(8) 对图形添加网格

x=0:pi/100:2*pi; %生成200个数作为数据点

y1=sin(x);y2=cos(x); %生成函数y1,y2

figure(1);plot(x,y1,'r-d',x,y2,'b--*'); %画y1,y2关于x的函数图像

grid on; %给图像的背景添加栅格

legend('sin(beta)','cos(beta)'); %标注图例

text(pi,0,'\leftarrow sin(\beta)');

gtext('cos(\beta)\rightarrow'); %用鼠标定位文字

title('sin(beta)和cos(beta)'); %标出图名

xlabel('\beta');

ylabel('sin(\beta)和cos(\beta)')

2、设x=zsin3z，y=zcos3z，要求在z=-45~45区间内画出x、y、z三维曲线。

z=-45:0.01:45; %生成-45 到45范围内公差为0.01 的数组

x=z.*sin(3*z); %生成函数x

y=z.*cos(3*z); %生成函数y

plot3(x,y, z,'r:'); %画x,y,z三w维图，颜色为红色

3、设Z=X.^2*exp(-X.^2-Y.^2); ，x=[-2,2]，y=[-2,2]，数据点个数自行定义，画出三维曲面。

x=-2:0.25:2;

y=x;

[X,Y]=meshgrid(x,y);

Z=X.^2*exp(-X.^2-Y.^2);

surf(X,Y,Z);

4、设sin()x t =，sin(2)y t =,02t π≤≤要求在4个子图中分别用红、绿、蓝、黑4种颜色画出x ，y 在内的曲线。（不给代码） t=0:pi/100:2*pi; x=sin(t); y=sin(2*t); subplot(2,2,1) plot(t,x,'r',t,y,'r')

二、相关函数（命令）及简介

1．平面作图函数：plot ，其基本调用形式：

以x作为横坐标，y作为纵坐标．s是图形显示属性的设置选项．例如：

x=-pi:pi/10:pi;

y=sin(x);

plot(x,y,'--rh','linewidth',2,'markeredgecolor','b','markerfacecolor','g')

在使用函数plot时，应当注意到当两个输入量同为向量时，向量x与y必须维数相同，而且必须同是行向量或者同是列向量．

绘图时，可以制定标记的颜色和大小，也可以用图形属性制定其他线条特征：

●线形

- 实线

-- 虚线

：点线

-. 点横线

●点形

+ 加号

o 圆圈

* 星号

. 实心点

x 叉号

s 正方形

d 钻石形

^ 上三角形

v 下三角形

> 右三角形

< 左三角形

p 五角星形

h 六角星形

颜色

r 红

g 绿

b 蓝

c 蓝绿

m 紫红

y 黄

k 黑

w 白

当我们需要对不同类别的数据点进行连线的时候，可以设置以下属性来区分不同类别的点和相应的直线：

（1）LineStyle：线形

（2）MarkerSymbol：点形

（3）Color：颜色

例如：

plot(x,y,'-.or','MarkerFaceColor','g')

其中线形为点横线，数据点形状为圆圈，线条和数据点边缘的颜色都是红色，数据点的填充颜色为绿色。

2．空间曲线作图函数：plot3，它与plot相比，只是多了一个维数而已．其调用格式如下：plot3(x,y,z,s)．例如：

x=0:pi/30:20*pi;

y=sin(x);z=cos(x);

plot3(x,y,z)

得到三维螺旋线：

3．空间曲面作图函数：

（1）mesh 函数．绘制彩色网格面图形．调用格式： mesh(z)，mesh(x,y,z)和mesh(x,y,z,c)．

其中，mesh(x,y,z,c)画出颜色由c 指定的三维网格图．若x 、y 均为向量，则length(x)=n ，length(y)=m ，[m,n]=size(z)．

（2）surf 在矩形区域内显示三维带阴影曲面图．调用格式与mesh 类似． 4．meshgrid ，调用格式：

[x,y]=meshgrid(m,n)，

这里的m ，n 为给定的向量，可以定义网格划分区域和划分方法．

meshgrid(x,y)产生两个矩阵，第一个矩阵是由x 作为行向量组成，第二个向量由y 作为列向量组成。比如 x=1:1:4，则x=[1 2 3 4]，那么meshgrid(x,y)生成的两个矩阵分别是：

1234123412341234???

?????????

1111222233334444??

??????????

实验三Simulink使用

一、实验目的

1. SIMULINK的使用方法。

2. 熟悉SIMULINK模块库的分类及其相应用途。

二、实验设备

计算机一台（带有MATLAB6.5以上的软件环境）。

三、实验内容

1．SIMULINK的启动

要启动SIMULINK，先要启动MATLAB。在MATLAB窗口中单击按钮，如图3-1所示，或在命令窗口中输入命令SIMULINK，将会进入SIMULINK库模块浏览界面，如图3-2所示。单击窗口左上方的新建按钮，SIMULINK会打开一个名为untilited（无标题）的模型窗口，如图3-3所示。随后，按用户要求可以在此模型窗口中创建模型及进行仿真运行。

图3-1 启动SIMULINK

图3-2 Simulink的主界面—库模块浏览器

图3-3 空的模块窗口

2.SIMULINK模块库

在MATLAB命令窗口中键人“Simulink'’命令，便可打开Simulink工具箱窗口，如图3-4所示。

图3-4 Simulink模型库界面

在图3-4所示的界面左侧可以看到，整个Simulink工具箱是由若干个模块组构成的。在标准的Simulink工具箱中，包含连续模块组(Continuous)、离散模块组(Discrete)、函数与表模块组(Function&Tables)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、信号与系统模块组(Signals&Systems)、输出模块组(Sinks)、信号源模块组(Sources)和子系统模块组(Subsystems)等。

(1) 查看Continous模块组及其图标

该模块组包括的主要模块及其图标如图3－5所示，共由7个标准基本模块。

图3－5 Continous模块组

(2) 查看Math Operations模块组及其图标

该模块组包括的主要模块及其图标如图3－6所示，共由25个标准基本模块。

图3－6 Math Operations模块组

(3) 查看Discontinuities模块组及其图标

该模块组包括的主要模块及其图标如图3－7所示，共由8个标准基本模块。

图3－7 Discontinuities模块组

(4) 查看Signal Routing模块组及其图标

该模块组包括的主要模块及其图标如图3－8所示，共由15个标准基本模块。

图3－8 Signal Routing模块组

(5) 查看Sinks模块组及其图标

该模块组包括的主要模块及其图标如图3－9所示，共由9个标准基本模块。

图3－9 Sinks模块组

(6) 查看Sources模块组及其图标

该模块组包括的主要模块及其图标如图3－10所示，共由18个标准基本模块。

图3－10 Sources模块组

实验四Simulink结构程序设计

一、实验目的

1.掌握绘制系统模型的方法。

2.对简单系统所给出的数学模型能转化为系统仿真模型并进行仿真分析。

二、实验设备

计算机一台（带有MATLAB6.5以上的软件环境）。

三、实验内容

1. Simulink的使用

（1）Simulink仿真模型组成：由三种类型的模块组成。

①信号源模块：为系统的输入，包括常用的信号源、函数信号发生器（如正弦波和阶跃函数等）和用户自己在MATLAB中创建的自定义信号。

②被模拟的系统模块：为仿真的中心模块，是Simulink仿真建模所要解决的主要问题。

③输出显示模块：包括显示、示波器显示和输出到文件或MATLAB工作空间中三种，输出模块主要在Sinks中。

图4-1 Simulink仿真模型的结构关联图

（2）Simulink仿真的基本过程

①打开一个空白的simulink模型窗口。

②进入Simulink模块库浏览界面，将相应的模块库中所需的模块拖到编辑窗口里。

③按照给定的框图修改编辑窗口中模块的参数。

④将各个模块按给定框图连接起来，搭建所需要的系统模型。

⑤用菜单或在命令窗口键入命令进行仿真分析，同时可以观察仿真结果，如果有不对的地方，可以随时停止，对参数进行修改。

⑥结果满意，保存模型。

2. 利用Simulink设计一个简单的模型，其功能是将一个正弦信号输出到示波器。

3.建立下图5-1所示的Simulink仿真模型并进行仿真，改变Gain模块的增益，观察Scope显示波形的变化。

图4-2 正弦波产生及观测模型

4．试绘制一个二阶系统进行阶跃响应仿真的结构图模型以及对其所有模块进行参数设置，并进行给定阶跃响应仿真。

实验五 离散系统仿真

一、实验目的

学会运用MATLAB 求离散时间信号的z 变换和z 反变换；

二、实验设备

计算机一台（带有MATLAB6.5以上的软件环境）。

三、实验内容

1. MATLAB 的Z 正反变换

MATLAB 符号数学工具箱提供了z 变换的函数ztrans 和z 反变换函数iztrans ，其语句格式分别为：

Z=ztrans(x) x=iztrans(z)

上式中的x 和Z 分别为时域表达式和z 域表达式的符号表示，可通过sym 函数来定义。 2．信号的z 域表示式是有理函数的z 变换

如果信号的z 域表示式是有理函数，进行z 反变换的另一个方法是对进行部分分式展开，然后求各简单分式的z 反变换.如果X(z)的有理分式表示为：

MATLAB 信号处理工具箱提供了一个对进行部分分式展开的函数residuez ，其

语句格式为：

[R,P,K]=residuez(B,A)

其中，B ，A 分别表示X(z)的分子与分母多项式的系数向量，分子与分母多项式按 照z^-1升幂排列。R 为部分分式的系数向量；P 为极点向量；K 为多项式的系数。若X(z)为有理真分式，则K 为零。

3、求下列函数的z 反变换。

参考程序：

>>x=sym('a^n*cos(pi*n)');

>>Z=ztrans(x); >>simplify(Z) ans=z/(z+a)

120121212()

()1()m m n

n b b z b z b z B z X z a z a z a z A z ------++++==++++ ()cos()()

n x n a n u n =π

参考程序

>>Z=sym('(8*z-19)/(z^2-5*z+6)');

>>x=iztrans(Z); >>simplify(x)

ans=-19/6*charfcn[0](n)+5*3^(n-1)+3*2^(n-1)

charfcn[0](n)是函数在MATLAB 符号工具箱中的表示，反变换后的函数形式为：

5、试用MATLAB 命令进行部分分式展开，并求出其z 反变换。

参考程序：

>>B=[18]; >>A=[18,3,-4,-1]; >>[R,P,K]=residuez(B,A) R= 0.3600 P= 0.2400 K= 0.4000

2

819

()||3

56

z X z z z z -=>-+1119

()()(5332)()

6

n n x n n u n --=-δ+?+?5

.0||431818

)(3

21>--+=

---z z z z z X

实验六 离散系统仿真

一、实验目的

.学会运用MATLAB 分析离散时间系统的系统函数的零极点分布与时频特性分析。

二、实验设备

计算机一台（带有MATLAB6.5以上的软件环境）。

三、实验内容

1、系统函数的零极点

离散时间系统的系统函数定义为系统零状态响应的z 变换与激励的z 变换之比:

如果系统函数 的有理函数表示式为

在MATLAB 中系统函数的零极点就可通过函数roots 得到，也可借助DSP 工具箱中的函数tf2zp 得到，tf2zp 的语句格式为：

[R,P,K]=tf2zp(B,A)

其中，B 与A 分别表示分子与分母多项式的系数向量。它的作用是将H(z)的有理分式表示式转换为零极点增益形式：

若要获得系统函数的零极点分布图，可直接应用zplane 函数，其语句格式为：

zplane(B,A)。

其中，B 与A 分别表示的分子和分母多项式的系数向量。它的作用是在Z 平面上画出单位圆、零点与极点。

2、系统函数的零极点分布与其时域特性的关系

在离散系统中，z 变换建立了时域函数 与z 域函数 之间的对应关系。因此，z 变换的函数 从形式可以反映 的部分内在性质。通过讨论 的一阶极点情况，来说明系统函数的零极点分布与系统时域特性的关系。

MATLAB 求解单位抽样响应 可利用函数filter ， filter 函数的常用语句格式为： y=filter(b,a,x)

1212()()()

()()()()

m n z z z z z z H z k

z p z p z p ---=--- ()

()()

Y z H z X z =

()H z 1

1211121

()m m m m n n n n b z b z b z b H z a z a z a z a -+-+++++=

++++ ()h n ()H z ()H z ()h n ()H z ()h n