薛定宇控制系統(tǒng)仿真與CAD精品課課件chapter

第1

章

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述

薛定宇著《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—MATLAB語言與應(yīng)用》第二版，清華大學(xué)出版社2006CAI課件開發(fā)：鄂大志、薛定宇1/27/20231控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院本章主要內(nèi)容控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展綜述控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語言環(huán)境綜述仿真軟件的發(fā)展概況MATLAB/Simulink與CACSD工具箱控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新方法本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容1/27/20232控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用1.1控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

技術(shù)的發(fā)展綜述早期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)算出來，如Ziegler與Nichols于1942年提出的PID經(jīng)驗(yàn)公式就可以十分容易地設(shè)計(jì)出來。隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計(jì)算器等簡(jiǎn)單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。1/27/20233控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用

控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。早在1982年12月和1984年12月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國(guó)際上最權(quán)威的IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)的控制系統(tǒng)雜志(ControlSystemsMagazine)和IEEE學(xué)會(huì)的科研報(bào)告集(ProceedingsofIEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？陙?，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CACSD軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB語言出現(xiàn)以來，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計(jì)算機(jī)語言，成為控制界學(xué)者的首選。1/27/20234控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用

MATLAB作為主要程序設(shè)計(jì)語言來介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費(fèi)在沒有太大價(jià)值的底層重復(fù)性機(jī)械性勞動(dòng)上，這樣可以對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認(rèn)識(shí)偏差，提高控制器設(shè)計(jì)的效率和可靠性。1/27/20235控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用子曰:“工欲善其事，必先利其器”。跟蹤國(guó)際最先進(jìn)的CACSD軟件環(huán)境及發(fā)展，以當(dāng)前國(guó)際上最流行的CACSD軟件環(huán)境MATLAB為基本出發(fā)點(diǎn)來系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及軟件實(shí)現(xiàn)，從而大大提高CACSD算法研究與實(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性，這是本書的一個(gè)主要目的。1/27/20236控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用1.2控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助

設(shè)計(jì)語言環(huán)境綜述20世紀(jì)70年代：1973年美國(guó)學(xué)者M(jìn)elsa

教授和Jones博士出版了一本專著，書中給出了許多當(dāng)時(shí)流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)、以及各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的子程序如：Luenberger

觀測(cè)器、Kalman

濾波等。1/27/20237控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用瑞典Lund工學(xué)院教授主持開發(fā)的一套交互式CACSD軟件INTRAC日本的古田勝久(Katsuhisa

Furuta)教授主持開發(fā)的DPACS-F軟件等。1980年美國(guó)學(xué)者CleveMoler

等人推出的交互式MATLAB語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視圖形交互式的模型輸入計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境Simulink

的出現(xiàn)為MATLAB應(yīng)用的進(jìn)一步推廣起到了積極性的推動(dòng)作用。1/27/20238控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用國(guó)際上控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展大致分為幾個(gè)階段：軟件包階段、交互式語言階段及當(dāng)前的面向?qū)ο蟮某绦颦h(huán)境階段這些軟件包大都是由FORTRAN語言編寫的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和MATLAB相比，調(diào)用方法和使用明顯顯得麻煩、不便。現(xiàn)在，MATLAB已經(jīng)風(fēng)靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域最普及也是最受歡迎的首選計(jì)算機(jī)語言。1/27/20239控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用20世紀(jì)70年代末期和80年代初期出現(xiàn)了很多實(shí)用的具有良好人機(jī)交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的INTRAC和CTRL-C等。正因?yàn)榇嬖诙喾N多樣的CACSD軟件，而它們之間又各有所長(zhǎng)，所以在CACSD技術(shù)的發(fā)展過程中曾有過幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。此外，以前FORTRAN語言繪圖并不是輕而易舉的事情，這就需要再調(diào)用相應(yīng)的軟件包來做進(jìn)一步處理。1/27/202310控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院依作者之見，這些集成出來的軟件并不是很成功的，因?yàn)樗鼈儾]有達(dá)到預(yù)期的效果。事實(shí)上，從那以后每個(gè)軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB語言有了自己的仿真功能，Simulink

從某種意義上來講其功能和接口更優(yōu)于ACSL,MATLAB和Mathematica

之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢(shì)可以得到充分地互補(bǔ)。1/27/202311控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用我國(guó)較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成果是中科院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員等主持的國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目開發(fā)的CADCSC軟件。清華大學(xué)孫增圻、袁曾任教授的著作和程序。以及北京化工學(xué)院吳重光、沈成林教授的著作和程序等。1/27/202312控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用1.3仿真軟件的發(fā)展概況仿真技術(shù)引起該領(lǐng)域各國(guó)學(xué)者、專家們的重視，建立起國(guó)際的仿真委員會(huì)(SimulationCouncilsInc.，Sci)，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。仿真語言CSMP(computersimulation

modellingprogram)應(yīng)該屬于建立在該標(biāo)準(zhǔn)上的最早的專用仿真語言。中科院沈陽自動(dòng)化研究所在1988年推出了該語言的推廣版本CSMP-C。1/27/202313控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用系統(tǒng)仿真領(lǐng)域有很多自己的特性，如果能選擇一種能反映當(dāng)今系統(tǒng)仿真領(lǐng)域最高水平，也是最實(shí)用的軟件或語言介紹仿真技術(shù)，使得讀者能直接采用該語言解決自己的問題，將是很有意義的。實(shí)踐證明，MATLAB就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經(jīng)使得它成為自動(dòng)控制、航空航天、汽車設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域仿真的首選語言。所以在本書中將介紹基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用。1/27/202314控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用1.4MATLAB/Simulink

與CACSD工具箱早期的MATLAB的功能十分簡(jiǎn)單，當(dāng)它作為免費(fèi)軟件出現(xiàn)以來，還是吸引了大批的使用者。CleveMoler

和JohnLittle等人于1984年成立了一個(gè)名為TheMathWorks

的公司TheMathWorks

公司于1992年推出了具有劃時(shí)代意義的MATLAB4.0版本。1/27/202315控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB目前已經(jīng)成為控制界國(guó)際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具。此外，控制界很多學(xué)者將自己擅長(zhǎng)的CAD方法用MATLAB加以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的MATLAB配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設(shè)計(jì)工具箱、μ分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號(hào)處理工具箱、以及仿真環(huán)境Simulink。1/27/202316控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用早期的CACSD研究側(cè)重于對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析上，開始時(shí)人們利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能把系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線繪制出來，并根據(jù)頻率響應(yīng)的曲線及自己的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用試湊的方法設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，然后利用仿真的方法去觀察設(shè)計(jì)的效果。1.5控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

領(lǐng)域的新方法1/27/202317控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用除了經(jīng)典的多變量頻域方法之外，還出現(xiàn)了一些基于最優(yōu)化技術(shù)的控制方法，其中比較著名的是英國(guó)學(xué)者JohnEdmunds提出的多變量參數(shù)最優(yōu)化控制方法和英國(guó)學(xué)者Zakian

提出的不等式控制方法等。與此同時(shí)，美國(guó)學(xué)者似乎更習(xí)慣于狀態(tài)空間的表示與設(shè)計(jì)方法。此方法往往又稱為時(shí)域方法(time-domain)，首先在線性二次型指標(biāo)下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預(yù)下(如人工選擇加權(quán)矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)觀測(cè)器新的控制概念。1/27/202318控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現(xiàn)了各種各樣的控制方法，如各種最優(yōu)控制的方案.隨著控制器的階次越來越高，還出現(xiàn)了很多的控制器降階方法來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的控制器。線性矩陣不等式(linearmatrixinequalities)及μ分析與綜合等控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過計(jì)算機(jī)這樣的現(xiàn)代化工具是不能完成的。1/27/202319控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用分?jǐn)?shù)階控制領(lǐng)域也出現(xiàn)了很多新的研究成果，是控制理論的一個(gè)較新的研究領(lǐng)域。教授和合作者對(duì)傳統(tǒng)的，也是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的PID控制器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了自整定PID控制器更加切合于過程控制的實(shí)際應(yīng)用。1/27/202320控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用

國(guó)際上出版了關(guān)于MATLAB及CACSD的專著和教材，但它們大都是MATLAB的入門教材，并沒有真正深入、系統(tǒng)地探討CACSD技術(shù)及MATLAB實(shí)現(xiàn)，將MATLAB的強(qiáng)大功能與控制領(lǐng)域成果有機(jī)結(jié)合是本書力圖解決的主要問題。1/27/202321控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用第1章對(duì)國(guó)際上最流行的一些CACSD專用軟件作簡(jiǎn)要的介紹，闡釋了為什么應(yīng)該采用MATLAB作為主要計(jì)算機(jī)語言的原因。第2章系統(tǒng)地介紹MATLAB編程的基礎(chǔ)。1.6本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容1/27/202322控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用第3章介紹在MATLAB環(huán)境中如何表示各種各樣的線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。第4章介紹線性控制系統(tǒng)的基本分析方法。第5章介紹基于Simulink

的非線性系統(tǒng)建模方法與技巧。第6章介紹各種經(jīng)典的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。1/27/202323控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用第7章介紹各類系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法。第8章介紹自適應(yīng)控制與智能控制系統(tǒng)的建模、仿真與設(shè)計(jì)問題。第9章基于dSPACE

和Quanser

軟硬件系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的辦實(shí)物仿真及實(shí)時(shí)控制方法，為控制理論及方法的工程應(yīng)用打好基礎(chǔ)。1/27/202324控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)－MATLAB語言與應(yīng)用本課程的