MATLAB实验

1理解连续系统时域分析方法

2学习利用matlab对连续系统进行时域分析的方法

3掌握单位冲激响应和单位阶跃响应一般求解方法和基本特征，学习利用matlab求此响应的方法。

4掌握单位冲激响应与系统稳定性、因果性之间的关系。

二、实验器材

计算机、MATLAB软件

三、实验原理

对于单输入-单输出系统的输入激励为 f (t)，输出响应为y(t)，则描述连续LTI系统的数学模型为n阶次的常系数线性微分方程，形式如下

[上传失败(image-82e2d0-1639285196529)] （3-1）

式子中, a i = 0,1,n，和b i =0,1,m均为常数。

由信号与系统的分析理论值，如果描述系统的微分方程、激励和初始状态已知，我们可用经典时域求解法求出其解。但对于高阶系统，手工计算十分的繁琐，甚至很困难，这时可以用matlab工具求解。

Matlab里提供了求（3-1）解用到的函数，常用的是impluse()、step()、lism()、conv()、dsolve()。下面我们分别介绍这几个函数。

1连续时间系统冲激响应和阶跃响应的求解

连续LTI系统的冲激响应和阶跃响应，分别用impluse和step求解。其调用格式为

impluse (b,a) y=impluse(sys,t)

step (b,a) y=step(sys,t)

式中，t表示计算系统响应的抽样点向量，sys是LTI系统模型，它表示 微分方程，差分方程或状态方程 。其调用格式

sys = tf (b,a)

式中，b和a分别是微分方程的右端和左端系数向量。例如

[上传失败(image-63fd93-1639285196529)]

用a=[a3,a2,a1,a0] ; b=[b3,b2,b1,b0] ,sys = tf (b,a) 获得其LTI模型。

例1：已知描述某连续系统的微分方程为

[上传失败(image-954b31-1639285196529)]

试利用matlab绘出该系统的单位冲激响应和单位阶跃响应的时域波形，并根据单位冲激响应判断系统的稳定性和因果性。`1

matlab程序如下

a=[1 1 6];

b=[1];

subplot(2,1,1)

impulse(b,a)

subplot(2,1,2)

step(b,a)

程序运行后，其图形如下3-1所示。

[上传失败(image-8ac458-1639285196530)]

图3-1 系统的冲激响应和阶跃响应图

从图3-1所示的系统的单位冲激响应的时域波形可以看出，当时间t<0时系统的单位冲激响应h(t)=0，所以该系统为因果系统；同时h(t)随着时间的增长而衰减，当t趋于无穷大时时，h(t)趋于零，所以系统也是一个稳定的系统。

2连续时间系统零输入响应的求解

在MATLAB中，initial是求连续系统的零输入响应函数，其调用形式为

initial(sys,x0)

[y,x,t]=initial(sys,x0)

initial函数可计算出连续时间线性系统由于初始状态所引起的响应（故而称零输入响应）。当不带输出变量引用函数时，initial函数在当前图形窗口中直接绘制出系统的零输入响应。

例2：已知描述某连续系统的微分方程为

[上传失败(image-15bccf-1639285196529)]

y(0)=1,y’(0)=2, 用matlab求其零输入响应

程序如下：

a=[1 1 6];

b=[1];

sys=tf(b,a);

sys1=ss(sys); % 转成状态变量表示

x0=[1,2]

initial(sys1,x0)

运行结果如图3-2所示

[上传失败(image-f08768-1639285196530)]

图3-2 系统的零输入响应图

3连续时间系统零状态响应的数值计算----- lism()

求解微分方程零状态响应的数值解。其调用格式主要有两种。

lism(sys,f,t) y=lism(sys,f,t)

其中,f是输入信号在向量t定义的时间点上的采样值，t是输入信号时间范围向量，sys是LTI系统模型

例3： 已知描述某连续系统的微分方程为

[上传失败(image-4a9e83-1639285196529)]

试利用matlab求出该系统当激励信号为[上传失败(image-5ad649-1639285196529)] 时，系统的响应[上传失败(image-348322-1639285196529)] ，并会出其波形。

matlab程序如下

a=[1 2 1];

b=[1 2];

sys=tf(b,a); %定义系统函数对象

p=001; %定义采样时间间隔

t=0:p:5;

f=exp(-2t);

lsim(sys,f,t); %对系统输出信号进行仿真

程序运行后，其图形如图3-3所示。

[上传失败(image-3950ed-1639285196529)]

图3-3 连续系统的响应仿真

4微分方程的符号解的函数dsolve()

在MATLAB中，dsolve()是求解微分方程的符号解的函数，其调用形式为

r=dsolve(‘eq1,eq2,…’,’cond1,cond2,…’，’v’)

或r=dsolve(‘eq1’,eq2’,…,’cond1’,’cond2’,…,’v’)

其中cond1、cond2…是初始条件（如没有给出初始条件，则默认为求通解）,v为自变量变量。D表示一阶微分，D2为二阶微分……。函数dsolve把D后的变量当成因变量，默认为这些变量对自变量的求导。

例4：求二阶系统[上传失败(image-9ca77c-1639285196529)] 在初始条件[上传失败(image-ae497b-1639285196529)] 下的零输入响应的解、零状态响应的解及全解

matlab程序如下

yzi=dsolve('D2y+5 Dy+4 y=0','y(0)=0,Dy(0)=1')

yzs=dsolve('D2y+5 Dy+4 y=exp(-3t)','y(0)=0,Dy(0)=0')

y=dsolve('D2y+5 Dy+4 y=exp(-3t)','y(0)=0,Dy(0)=1')

运行结果如下

yzi =

-1/3 exp(-4 t)+1/3exp(-t)

yzs =

1/3 exp(-4 t)+1/6 exp(-t)-1/2 exp(-3t)

y =

1/2 exp(-t)-1/2 exp(-3t)

即 [上传失败(image-8a13eb-1639285196529)]

[上传失败(image-9036d5-1639285196529)]

[上传失败(image-fa7bd7-1639285196529)]

四、实验内容

1验证实验原理中所述的相关程序

2已知描述某连续系统的微分方程为

[上传失败(image-d41f06-1639285196529)]

(1) 试利用matlab绘出该系统的冲激响应和阶跃响应的时域波形，并根据冲激响应判断系统的稳定性。

a=[1,3,2];

b=[1,2];

subplot(2,1,1)

impulse(b,a);

subplot(2,1,2)

step(b,a);

wending

(2) 当激励信号为[上传失败(image-e16660-1639285196529)] 时，系统的零状态响应[上传失败(image-5beb2d-1639285196529)] ，并绘出响应的波形。

a=[1,3,2];

b=[1,2];

sys=tf(b,a)

t=0:001:5;

f=exp(-2t);

lsim(sys,f,t)

3求三阶系统[上传失败(image-a71fa6-1639285196529)] 在初始条件[上传失败(image-40502a-1639285196529)] 下的零输入响应的解、零状态响应的解及全解。

yzi=dsolve('D2y+5Dy+y=0','y(0)=0,Dy(0)=1')

yzs=dsolve('D2y+5 Dy+y=exp(-3 t)','y(0)=0,Dy(0)=0')

y=dsolve('D2y+5 Dy+y=exp(-3 t)','y(0)=0,Dy(0)=1')

五、实验报告要求

1实验内容中详细说明用连续系统时域分析法的步骤与原理。

2写出其对应的matlab程序。

3上机调试程序的方法及实验中的心得体会。

题主是否想询问“matlab生成的exe很大的原因”？matlab生成的exe很大的原因有依赖库文件、数据文件、代码结构、程序功能。

1、依赖库文件：MATLAB程序通常需要依赖许多库文件，包括MEX文件、DLL文件、MATLAB运行时库等。这些文件通常很大，会导致生成的exe文件也很大。解决方法是尽可能减少程序的依赖库文件，如果有必要可以考虑使用静态链接库。

2、数据文件：MATLAB程序可能需要使用大量的数据文件，例如训练数据、测试数据等。这些数据文件通常很大，会导致生成的exe文件也很大。解决方法是尽可能减少程序使用的数据文件大小，可以考虑使用压缩算法对数据文件进行压缩。

3、代码结构：MATLAB程序的代码结构可能会影响生成的exe文件大小。例如，一些不必要的代码、变量和函数可能会导致生成的exe文件大小增加。解决方法是对程序进行优化，删除不必要的代码、变量和函数。

4、程序功能：MATLAB程序的功能也会影响生成的exe文件大小。一些复杂的功能和算法通常需要使用更多的代码和依赖库文件，会导致生成的exe文件也很大。解决方法是尽可能简化程序的功能和算法，避免使用过多的依赖库文件。

1、首先创建一个数组或矩阵，如在MATLAB命令窗口中输入代码，如下图所示。

2、数组创建好后，就可以进行数组或矩阵索引了，索引数组或矩阵时可以精确索引某行某列的元素，如我们在MATLAB命令窗口中输入代码。

3、需要索引出上面第2行第3列的元素还可以使用线性索引，即输入单值索引，是按单一下标按顺序向下遍历每一列。如果数组或矩阵较大的话可以先计算数组或矩阵的大小，然后利用尺寸进行帮助我们计算。

4、在索引数组或矩阵的时候注意不要索引超过矩阵或数组的大小，否则会程序报错，可以使用size或length先计算好数组或矩阵的大小。

5、最后关于创建等距数组或矩阵，可以使用格式 start:step:end来创建，在命令窗口中输入代码，如下图所示，就创建完成了。

for i=1:n-1

if (x(i)<x0)&&(x(i+1)>x0)

in=i;

end

end

你写这个是要干嘛？ 换个变量就OK了。

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