控制系統(tǒng)MATLAB仿真與應(yīng)用第1章課件

1、機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS控制系統(tǒng)MATLAB仿真與應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS講課內(nèi)容第 1 章 概述第 2 章 MATLAB 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第 3 章 MATLAB 圖形設(shè)計(jì)第 4 章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其MATLAB描述第 5 章 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析第 6 章 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第 7 章 控制系統(tǒng)Simulink仿真第 8 章 控制系統(tǒng)MATLAB仿真實(shí)例機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS第1章 概述1.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述1.2 MATLAB仿真簡(jiǎn)介機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRE

2、SS1.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述1.1.1 變量定義與管理控制系統(tǒng)在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域無(wú)處不在，已得到廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)方面，對(duì)于冶金、化工、機(jī)械制造等生產(chǎn)過(guò)程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率和相位等，都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在軍事技術(shù)方面，自動(dòng)控制的應(yīng)用實(shí)例有各種類型的伺服系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)等。在航天、航空和航海方面，還包括導(dǎo)航系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和各種仿真器。在辦公室自動(dòng)化、圖書管理、交通管理乃至日常家務(wù)方面，自動(dòng)控制技術(shù)也都有著實(shí)際的應(yīng)用。隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大，幾乎涉及生物、醫(yī)學(xué)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等

3、所有領(lǐng)域。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述1.1.1 變量定義與管理1.建立數(shù)學(xué)模型為了分析對(duì)象的特征并解決控制的某些問(wèn)題，需將表征對(duì)象所發(fā)生的物理、化學(xué)現(xiàn)象、生物現(xiàn)象等用數(shù)學(xué)表達(dá)式表征出來(lái)，這種數(shù)學(xué)表達(dá)式就是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建立受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型途徑：根據(jù)物理規(guī)律，直接列寫出對(duì)象的動(dòng)力學(xué)方程。系統(tǒng)辨識(shí)（system identification）的方法。即對(duì)受控對(duì)象施加一定的試驗(yàn)信號(hào)，通過(guò)測(cè)量輸入和輸出數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行分析、處理，從而辨識(shí)出對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

4、計(jì)概述1.1.1 變量定義與管理2.確定系統(tǒng)約束條件、性能指標(biāo)為了對(duì)各種控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)價(jià)，必須先確定一些典型的輸入信號(hào)。通常是選用幾種確定性函數(shù)作為典型輸入信號(hào)（目前在工程實(shí)際中常用的典型輸入信號(hào)有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)和正弦函數(shù)）在典型輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)的性能應(yīng)能反映出系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下的性能。應(yīng)用于不同場(chǎng)合的控制系統(tǒng)，其性能要求也不同。但從控制工程的角度來(lái)看，對(duì)控制系統(tǒng)卻有一些共同的要求，一般可歸結(jié)為穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述1.1.1 變量定義與管理3.控制系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的

5、根據(jù)，它通過(guò)研究系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)及其對(duì)典型信號(hào)輸入下的解，來(lái)認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、獲得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，并找出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與這些性能指標(biāo)間的關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的分析方法主要有時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域特性法。4.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要包括：經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述1.1.2 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展及應(yīng)用控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CACSD）是一門以計(jì)算機(jī)為工具進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的技術(shù)，它是在控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的方法。1.CACSD技術(shù)的發(fā)展2

6、.CACSD技術(shù)的應(yīng)用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如下，計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)建模計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.1 MATLAB安裝與啟動(dòng)MATLAB具有以下特點(diǎn)：計(jì)算功能強(qiáng)大，繪圖方便，功能強(qiáng)大的工具箱以及完整的幫助功能。當(dāng)用戶在計(jì)算機(jī)上成功安裝了MATLAB R2015a后，用戶自定義的安裝目錄便包含了一系列文件和文件夾，如圖所示。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.2 程序界面環(huán)境雙擊MATLAB R2015a安裝目錄內(nèi)bin文件夾中的MATLAB.exe

7、圖標(biāo)，啟動(dòng)MATLAB R2015a，出現(xiàn)啟動(dòng)界面，啟動(dòng)后彈出用戶界面，分別如下所示。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.2 程序界面環(huán)境1.菜單/工具欄新建：用于建立新的.m文件，圖形，模型和圖形用戶界面。新建腳本：用于建立新的.m文件腳本。打開(kāi)：用于打開(kāi)MATLAB的.m文件，.fig文件，.mat文件，.mdl文件，.cdr文件等。導(dǎo)入數(shù)據(jù)：用于從其他文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)，單擊后彈出對(duì)話框，選擇導(dǎo)入文件的路徑和位置。保存工作區(qū)：用于把工作區(qū)數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的路徑文件中。設(shè)置路徑：設(shè)置工作路徑。預(yù)設(shè)：用于設(shè)置命令窗的屬性。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MA

8、CHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.2 程序界面環(huán)境2.命令行窗口命令行窗口是MATLAB最重要的窗口。用戶輸入各種指令、函數(shù)、表達(dá)式等，都在命令行窗口中完成的。3.工作區(qū)工作區(qū)窗口顯示當(dāng)前內(nèi)存中所有MATLAB變量的變量名、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、字節(jié)數(shù)及數(shù)據(jù)類型等信息，不同變量類型分別對(duì)應(yīng)不同的變量名圖標(biāo)。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.2 程序界面環(huán)境4. MATLAB R2015a的通用命令常用命令機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.2 程序界面環(huán)境4. MATLAB R2015a的

9、通用命令輸入內(nèi)容編輯標(biāo)點(diǎn)機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.3 目錄設(shè)置與文件管理工作文件夾窗口可顯示或改變當(dāng)前文件夾，還可以顯示當(dāng)前文件夾下的文件，以及提供文件搜索功能。與命令行窗口類似，該窗口也可以成為一個(gè)獨(dú)立的窗口。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.3 目錄設(shè)置與文件管理下面將介紹MATLAB搜索路徑的查看和設(shè)置方法。1）查看MATLAB搜索路徑單擊MATLAB主界面菜單/工具欄中的“設(shè)置路徑”按鈕，打開(kāi)“設(shè)置路徑”對(duì)話框，如下圖。該對(duì)話框分為左右兩部分，左側(cè)的幾個(gè)按鈕用來(lái)添加目錄到搜索路徑

10、，還可以從當(dāng)前的搜索路徑中移除選擇的目錄；右側(cè)的列表框列出了已經(jīng)被MATLAB添加到搜索路徑的目錄。機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.3 目錄設(shè)置與文件管理2）設(shè)置MATLAB的搜索路徑MATLAB提供了3種方法來(lái)設(shè)置搜索路徑：在命令行窗口中輸入：edit path或者pathtool或者通過(guò)MATLAB主界面菜單欄上的File-Set Path菜單，進(jìn)入Set Path對(duì)話框，然后通過(guò)該對(duì)話框編輯搜索路徑。在命令行窗口中輸入：path(path, path)。其中，path是待添加目錄的完整路徑。在命令行窗口中輸入：addpath pathbegin。其中，path是待添加目錄的路徑，將新目錄添加到搜索路徑的開(kāi)始機(jī)械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB簡(jiǎn)介1.2.4 Simulink仿真環(huán)境Simulink的出現(xiàn)給控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)帶來(lái)了福音，它有兩個(gè)主要功能：Simu(仿真)和link(連接)，即該軟件可以利