小球弹跳仿真
Matlab仿真技术作品报告
题目:基于MATLAB的小球弹跳仿真
系 (院): 专 业:
班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 学年学期:学年 第
年 月 日
设计任务书
摘要 matlab的应用领域非常广泛,从基本的线性代数、泛函分析,到应用广泛的信号处理、可控制系统、通信系统,直到神经网络、小波理论等最新技术领域。为了体现matlab这个语言工具的应用,所以以本次课程设计为小小的实例,来体现它的应用价值。本次课程设计思想来源于基础实验课的第一次实验,不过在此基础上提高了难度,综合运用了整个matlab课程中所学到的知识。第一次关于小球弹跳的实验只是把它的轨迹图用绘图方法制作出来,而且物理情景简单,初始速度为0,高度为1,小相当于竖直下落过程,所以让我想到在此基础上深入挖掘,做一个初始速度、初始高度和衰减系数都可以通过输入来确定,可以描绘出小球弹跳的整个动态过程,而这一切正是matlab仿真技术可以解决的问题,也是体现这门课程的主要特色所在。
关键词 初始速度、初始高度、衰减系数、动态、simulink、GUI界面、仿真图形
一、 绪论
MATLAB语言是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言。它集成度高,使用方便,输入简捷,运算高效,内容丰富,并且很容易有用户自行扩展。与其它计算机语言相比,MATLAB具有以下特点:
(1)、MATLAB是以解释方式工作,输入算是立即得出结果,无需编译,对每条语句解释后立即执行。若有错误也立即作出反应,便于编程者马上改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。
(2)、变量的多功能性。每个变量代表一个矩阵,可以有mn 个元素;每个元素都可以看做一个复数;矩阵的行数列数无需定义,MATLAB会根据用户输入的数据形式,自动决定一个矩阵的阶数。
(3)、运算符号的多功能性。所有的运算,包括加减乘除、函数运算都对矩阵和复数有效。
(4)、语言规则与笔算式相似。
(5)、强大而简易的作图功能。能根据输入数据自动确定坐标绘图;能规定多种坐标(极坐标、对数坐标等)绘图;能绘制三维坐标中的曲线和曲面;可设置不同的颜色、线型、视角等,如果数据齐全,往往只需要一条命令即可给出相应的图形。
(6)、智能化程度高。绘图时自动选择最佳坐标,以及按输入或输出变元数自动选择算法等;做数值积分时自动按精确度选择步长;自动检测和显示程序错误的能力强,易于调试。、
(7)、功能丰富,可扩展性强。MATLAB软件包括基本部分和专业扩展部分。基本部分包括:矩阵的运算和各种变换,代数和超越方程的求解,数据处理和傅里叶变换及数值积分等。扩展部分称为工具箱,它实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集,用于解决某一方面的专门问题,或某一领域的新算法,现在已经有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等多个工具箱,并且还在继续发展中。
而对于我们信息工程类专业生,学习本课程,重点介绍信号处理、自动控制和通信仿真三个方面的应用,涉及的课程有高等数学,信号与系统、数字信号处理、自动控制原理、数字通信等。本次课程设计也是在此基础上综合运用所学知识,体
现matlab这门语言工具的强大应用功能。
二、 作品内容
小球弹跳的具体物理模型是:小球在某一初始高度h处,以某一初始速度竖直上抛或者竖直下落,假设速度方向向上时为正,初始速度为正时小球表现为竖直上抛运动,初速度为负时表现为竖直下落运动,不考虑空气的阻力。但是,由于小球在碰地过程中会有能量损失,所以存在衰减系数k(0
三、作品的具体实现
1、对小球弹跳进行数学建模,以及获得每个时刻小球的位移、速度等数据,需要解决一下问题:
(1)、首先应该考虑怎么获得各个时刻速度与位移对应的数据,时间间隔怎么取,考虑到规模比较小,可以规定每隔dt=0.05s个时间取一个时间点,从0时刻到25s取500个点,所以限制了初速度和初始高度的范围,如果超过此范围,小球就不会停下来,不能完成整个过程的仿真。
(2)、小球在y>0,即小球在上升或者下降过程中,均表现为加速度为-g(-9.8)的匀变速运动。
代码部分表示为:
v=v0+g*(t-T); %速度
y=h+v0*(t-T)+g*(t-T)^2/2; %位移
(3)、怎样控制小球在落地时改变速度这一瞬时状态。在y
代码部分表示为:
v0=k*v;
T=t; %求取每次落地时所用时间
h=0;
2、对整个速度、位移数据进行处理,并描绘成动态图像。
主要运用到的命令:
(1)、图形窗的内容保持命令hold
格式:hold on
功能:保持当前图形窗的内容,使后续绘制函数仍可在该图形窗口中完成
绘制,完成在一张图中绘制多个图形。
(2)、设置网格线命令grid on
格式:grid on
功能:对当前坐标图加上网格线
(3)、程序暂停命令pause
格式:pause(n)
功能:暂停程序的执行,n秒钟之后继续执行
(4)、设计坐标轴刻度函数axis
格式:axis( [xmin,xmax,ymin,ymax])
功能:对当前二维图形对象的X轴和Y轴进行标定。X轴的刻度范围是
[xmin,xmax],Y轴的刻度范围是[ymin,ymax]。
(5)、二维图形绘制命令plot
格式: plot(1,y,'or','MarkerSize',15,'MarkerFace',[1,0,1])
功能:其数据点均用红色圆圈标记,“MarkerSize”表示圆圈的大小为15,
模拟小球。
3、simulink系统模型的搭建
需要的模块Constant, Scope, Integrate,Gain,IC
(1)模块如何在落地时改变初速度值V
我们看选项External reset, 其意义是在外部触发条件下重新计算, 点击小三角形, 打开下拉菜单, 可以看到外部触发条件有none( 没有条件) , rising( 上升时) , falling( 下落时) , either( 两者同时) , 我们是选择下落时触发。由于是选择falling 触发, 因此球落地时触发条件起作用, velocity 模块以落地时速度的0.8 倍反向开 始重新积分, 从而实现一次又一次的模拟运动。初速度的设置还需要有IC, Gain 模块, 模块初值为15( 即开始上抛时的初速度) , 以后则在触发条件生效时则将由当时的速度V算出的新速度- 0.8V 重新输入模块velocity 中作为新的初速度
(2)怎样控制在落地时才触发
我们需要打开position( 位置) 模块, limit output( 限制输出) 选项意味着何时产生触发条件, 选项中的upper satuationlimit 为inf 意味着无论上抛多高都不会产生触发条件, 而选项中lower satuation limit 为0 意味着位置为零( 即落地时) 输出触发条件。这个条件通过回路输出到模块velocity 并引起重新计算速度了。
4、GUI界面的设计
(1)、系统界面设计工具—GUI概述
图形用户界面(graphical user interfaces ,GUI)则是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象(objects)构成的一个用户界面。用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象,使计算机产生某种动作或变化,比如实现计算、绘图等。在MATLAB中GUI是一中包含多种对象的图形窗口,并为GUI开发提供一个方便高效的集成开发环境GUIDE。GUIDE主要是一个界面设计工具集,MAYLAB将所有GUI支持度控件都集成在这个环境中,并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。GUIDE将设计好的GUI保存在一个FIG文件中,同时生成M文件框架。
FIG文件:包括GUI图形窗口及其所有后裔的完全描述,包括所有对象属性的属性值。它是一个二进制文件调用hsave课保存图形窗口时将生车该文件。M文件包括GUI设计、控件函数以及定义为子函数的用户控件回调函数,主要用于控制GUI展开时的各种特征。 GUI创建包括界面设计和控件编程两部分,主要步骤如下。第一步:通过设置GUIDE应用程序的选项来运行GUIDE;第二步:使用界面设计编辑器进行面设计;第三步:编写控件行为响应控制(即回调函数)代码。
(2)、界面设计及使用说明
首先我们新建一个GUI文件:File/New/GUI 如下图所示:
图15 GUI创建界面
选择Blank GUI(Default)。
其次,进入GUI开发环境以后添加两个编辑文本框,3个静态文本框3个动态文本框,和两个个按钮,布置如下图所示;
GUI开发环境
v0=str2double(get(handles.edit1,'string')); h=str2double(get(handles.edit2,'string')); k=str2double(get(handles.edit3,'string')); axes(handles.axes4);
axes(handles.axes1);
axes(handles.axes3);
系统运行界面
总结
本次课程设计,基本上完成了最初的作业任务。并且在原来基础上更加深入的修改和完善了,使作品内容更加丰富,层次鲜明。
本次作业难点在于simulink模块的搭建以及动态实现的方法, simulink这一部分实践的比较少,而且是全英文的应用软件,所以用起来比较陌生,花了不少时间和精力,虽然找了不少资料,但在理解和应用上也有一点的难度,这期间找了很多同学帮忙。
至于制作GUI界面这一部分,总体上还算是比较顺利,参照了其他范例,最终确立了自己的思路,不过在程序运行之后,自己思考和分析了很多问题,即本次设计的缺陷所在,由于整个过程不遵循能量守恒,又存在三个初始变量,所以无法估算出小球在多少时间内能够完成整个过程,所以对用户输入的初始数据实际上还是有一点的限制的。
最后感谢指导老师和同学的帮助。
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参考文献
1、朱衡君,MATLAB语言及实践教程第二版。清华大学:北京交通大学出版社,2009
2 、唐向宏,岳恒立,郑雪峰, MATLAB及在电子信息类课程中的应用第二版,电子工业出版社,2009
3、周小兰,《基于MatlabSimulink的小球弹跳仿真及动画实现》
4 、张磊,毕靖,郭莲英.MATLAB实用教程.北京:人民邮电出版社,2008 5 、张威.MATLAB基础与编程入门.西安:西安电子科技大学出版社,2006 6 、周利清,苏菲.数字信号处理基础.北京:北京邮电大学出版社,2005
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指导教师评语