matlab在機(jī)械的控制中地地的應(yīng)用

1、Matlab 在機(jī)械工程控制中的應(yīng)用班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào):時(shí)間：2010-11-14Matlab在機(jī)械工程控制中的應(yīng)用一、機(jī)械工程控制簡(jiǎn)介機(jī)械控制工程是研究控制論在機(jī)械工程中應(yīng)用的科學(xué)。它是一門跨控制論和機(jī)械工程的邊緣學(xué)科。隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，機(jī)械工程控 制論這門新興學(xué)科越來(lái)越為人們所重視。他不僅滿足今天自動(dòng)化技術(shù)高度發(fā)展的 需要，同時(shí)也與信息科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)緊密相關(guān)， 更重要的是它提供了辯證的系統(tǒng) 分析方法，即不但從局部，而且從整體上認(rèn)識(shí)和分析機(jī)械系統(tǒng)， 改進(jìn)和完善機(jī)械 系統(tǒng)，以滿足科技的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。i.i機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象是機(jī)械

2、工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。具體地講，機(jī)械控制路是研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，也就是研究 機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件下， 從系統(tǒng)的一定初始條件出發(fā)，所經(jīng)歷有 內(nèi)部的固有屬性所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程。 就系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間動(dòng)態(tài)關(guān) 系而言，機(jī)械工程控制論的任務(wù)主要研究一下幾方面的為題：（i）當(dāng)系統(tǒng)已定，輸入已知時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)），并通過(guò)輸出來(lái)研 究系統(tǒng)本身的有關(guān)為題，稱系統(tǒng)分析。（2）當(dāng)系統(tǒng)已定，系統(tǒng)的輸出也已給定是，要確定系統(tǒng)的輸出盡可能符合 給定的最佳要求，稱系統(tǒng)的最優(yōu)控制。（3）當(dāng)輸入已知輸出也一給定時(shí)，要確定系統(tǒng)，使其可能符合給定的最佳 要求，稱最優(yōu)設(shè)計(jì)

3、。（4）當(dāng)輸入和輸出均已知時(shí)，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 稱系統(tǒng)的便是或系統(tǒng)識(shí)別。（5 ）當(dāng)系統(tǒng)已定輸出已知時(shí)，要識(shí)別輸出輸出輸入的有關(guān)信息，成濾波與 預(yù)測(cè)。1.2控制系統(tǒng)的工作原理與組成所謂控制系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的輸出能按照要求的參考輸入或控制輸出進(jìn)行調(diào)節(jié) 的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的工作原理可以歸納如下：（1）檢測(cè)被控量或輸出量的實(shí)際值。（2）將實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較得出的偏差值。（3）用片擦偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差?？刂葡到y(tǒng)分為閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定兀件、反 饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及矯正元件等單元組成。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)沒(méi) 有反饋回路時(shí)，稱之為

4、開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)較閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，其系統(tǒng)組成沒(méi)有反 饋元件和比較元件。1 . 3系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為了從理論上對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析， 首要任務(wù)就是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)的輸入量、 輸出量以及內(nèi)部變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué) 表達(dá)式，它揭示了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)與其性能之間的內(nèi)在關(guān)系。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 有多種形式，這取決于變量與坐標(biāo)的選擇，在時(shí)域，數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程 獲一階微分方程組表示；在頻域，則采用傳遞函數(shù)和頻率特性來(lái)表示。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通常采用解析法和實(shí)驗(yàn)法。解析法就是依據(jù)系統(tǒng)本身 所遵循的有關(guān)物理定律列寫數(shù)學(xué)表達(dá)式，在列寫方程的過(guò)程中往往要進(jìn)行必要的 化簡(jiǎn)。實(shí)驗(yàn)法適用

5、于較復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)研究者對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成、機(jī)理、信息傳遞等 缺乏了解，無(wú)法用解析法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是， 必須根據(jù)系統(tǒng)對(duì)某些典型輸入 信號(hào)的響應(yīng)或其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的數(shù)學(xué) 模型的方法也稱為系統(tǒng)辨識(shí)。二、MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory )的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks 公司出品的商 業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交 互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函 數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語(yǔ)言的程序

6、等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、 控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB產(chǎn)品族可以用來(lái)進(jìn)行一下各種工作：數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、 工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程。Simulink是Matlab的重要組成部分，是面向結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真軟件，在可視化的 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真中，它采用系統(tǒng)模塊直觀地描述系統(tǒng)，可十分方便地建立系統(tǒng)模型， 并可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬或線性化處理。因此MATLAB為系統(tǒng)的建模分析和設(shè)計(jì)提供 了有力的手段。三、MATLAB在機(jī)械工程控制中的應(yīng)用MATLAB的名稱源自MatLaborat

7、ory ,它是一種科學(xué)計(jì)算軟件.專門以矩陣 的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起。并提供了 大量的內(nèi)置函數(shù).從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的 分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu).可以非常容易地 對(duì)MAllAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充?？刂葡到y(tǒng)工具箱是MATLAB軟件包中專門針對(duì)控制 系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的函數(shù)和工具的集合.主要用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和仿真。 所涉及的領(lǐng)域涵蓋經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容。包括根軌跡、極 點(diǎn)設(shè)置和線性二次最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)等?？刂葡到y(tǒng)工具箱既可適用于連續(xù)時(shí)間系 統(tǒng)，也適用于離散時(shí)間系統(tǒng).并且可以實(shí)

8、現(xiàn)不同模型之間的相互轉(zhuǎn)換。用戶還能 夠輕松地繪制系統(tǒng)的時(shí)域或頻域響應(yīng)和開環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖。MATLAB自身提供的開放式環(huán)境，可以讓用戶通過(guò)M文件建立自己的控制模型和控制算法。3.1數(shù)學(xué)模型的MATLAB的描述MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱，主要處理以傳遞函數(shù)為主要特征的經(jīng)典控制和 以狀態(tài)空間為主要特征的現(xiàn)代控制中的問(wèn)題。 該工具箱為控制系統(tǒng)的建模、分析 和設(shè)計(jì)提供了一個(gè)完整的解決方案，是 MATLAB最有力和最基本的工具箱之一。 概括地說(shuō)，控制系統(tǒng)工具箱具有以下幾方面的功能：(1)系統(tǒng)建模。控制系統(tǒng)工具箱同時(shí)支持連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，能夠建 立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型、傳遞函數(shù)模型及傳遞函數(shù)零極點(diǎn)增益模

9、型，并可實(shí)現(xiàn)任 意兩者之間的轉(zhuǎn)換、可通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)、反饋連接及更一般的框圖建模來(lái)建立復(fù) 雜系統(tǒng)的模型；可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的離散化、離散系統(tǒng)的連續(xù)化及重 采樣。(2 )系統(tǒng)分析。控制系統(tǒng)工具箱不僅支持對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)的分析，也支持對(duì)多輸入所輸出系統(tǒng)的分析。系統(tǒng)的頻率特性，可支持系統(tǒng)的Bode圖、Nyquist圖和Nichols圖的計(jì)算和繪制。對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)，可支持對(duì)系統(tǒng)的單 位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)、零輸入響應(yīng)，以及更廣泛的對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng) 進(jìn)行分析和仿真。（3 ）系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)工具箱可計(jì)算系統(tǒng)的各種特性，如可控和可觀 Gramian矩陣、系統(tǒng)的可控和可觀矩陣、傳遞函數(shù)零極點(diǎn)

10、；頻域特性如穩(wěn)態(tài)裕度、 阻尼系數(shù)，以及根軌跡的增益選擇等?？芍С窒到y(tǒng)的可控、可觀標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)、均 衡實(shí)現(xiàn)、降價(jià)實(shí)現(xiàn)以及輸入延時(shí)的Pade估計(jì)?？蛇M(jìn)行系統(tǒng)的極點(diǎn)配置，觀測(cè)器 設(shè)計(jì)以及LQ和LQG最優(yōu)控制等。3.2用MATLAB分析時(shí)間響應(yīng)在MATLAB中可以用impulse函數(shù)、step函數(shù)和Isim函數(shù)對(duì)線性連續(xù)系統(tǒng)的 時(shí)間相應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。在求出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)后，根據(jù)系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo) 的定義，可以得到系統(tǒng)的上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間等性能指 標(biāo)。3.3利用MATLAB分析頻率特性Nyquist圖和Bode圖是系統(tǒng)頻率特性的兩種重要的圖形表達(dá)形式，也是對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行頻率進(jìn)行特性分

11、析的的重要方法。無(wú)論是Nyquist圖還是Bode圖，都非常適用于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪制。MATLAB提供了繪制系統(tǒng)那個(gè)的頻率特性極坐標(biāo) 的圖的nyquist函數(shù)和繪制對(duì)數(shù)坐標(biāo)的bode函數(shù)，通過(guò)這些函數(shù)，不僅可以得到 系統(tǒng)的頻率特性圖，而且還可以通過(guò)計(jì)算得到系統(tǒng)的頻域特征量。3.4利用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性在MATLAB中，如果已知系統(tǒng)的特征方程，極易求出系統(tǒng)的特征根。根據(jù)特 征根的分布情況，判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定。另外，在MATLAB中還提供了直接求解系 統(tǒng)幅值裕度和相位裕度的函數(shù)，通過(guò)這些函數(shù)可以直接分析函數(shù)是否穩(wěn)定以及系 統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。3.5利用MATLAB設(shè)計(jì)系統(tǒng)校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正的方法是基于Bode圖的頻率分析法。3.6利用MATLA