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1、2010 10 2012010 10 201 控制系统仿真控制系统仿真 北京科技大学信息工程学院 自动化专业选修课北京科技大学信息工程学院 自动化专业选修课 2010年年9月月 2010 10 2022010 10 202 第五章第五章第五章第五章 基于基于基于基于MATLABMATLAB工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计 控制系统工具箱简介控制系统工具箱简介控制系统工具箱简介控制系统工具箱简介 5 1 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 5 2 线性时不变系统浏
2、览器线性时不变系统浏览器线性时不变系统浏览器线性时不变系统浏览器 LTI ViewerLTI Viewer 5 3 单变量系统设计工具单变量系统设计工具单变量系统设计工具单变量系统设计工具 SISO Design ToolSISO Design Tool 5 4 非线性控制系统的设计非线性控制系统的设计非线性控制系统的设计非线性控制系统的设计 5 5 2010 10 203 为了进一步方便用户 在MATLAB的控制系统工具箱中提 供了一套基于图形界面的系统分析和设计的工具 该工具 包含了丰富的线性系统分析和设计函数 并以线性时不变 Linear Time Invariant LTI 对象为基本
3、数据类型 对线性时不变系统进行操作与控制 它能够完成系统的时 域和频域分析 用户可以设计与分析控制系统 然后使用 Simulink对所设计的控制系统进行仿真分析 并在需要的 情况下修改控制系统的结构和参数以达到特定的目的 从 而使得用户快速完成系统分析和设计的任务 大大提高分 析和设计的效率 为了进一步方便用户 在MATLAB的控制系统工具箱中提 供了一套基于图形界面的系统分析和设计的工具 该工具 包含了丰富的线性系统分析和设计函数 并以线性时不变 Linear Time Invariant LTI 对象为基本数据类型 对线性时不变系统进行操作与控制 它能够完成系统的时 域和频域分析 用户可以
4、设计与分析控制系统 然后使用 Simulink对所设计的控制系统进行仿真分析 并在需要的 情况下修改控制系统的结构和参数以达到特定的目的 从 而使得用户快速完成系统分析和设计的任务 大大提高分 析和设计的效率 第五章第五章第五章第五章 基于基于基于基于MATLABMATLAB工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计 2010 10 204 在控制系统的分析和设计中 线性系统的设计 分析与 实现具有重要的地位 因为对大多数的非线性控制系统 可以在工作点附近将其进行线性化 最终按线性控制系统 进行设计分析 但是当系统的非线性特性较强时
5、 就需要 采用其他方法对非线性系统控制器进行优化设计和仿真 Simulink中基于图形界面的Signal Constraint 或NCD Outport 模块为非线性系统控制器的优化设计和分析提 供了有效的手段 在控制系统的分析和设计中 线性系统的设计 分析与 实现具有重要的地位 因为对大多数的非线性控制系统 可以在工作点附近将其进行线性化 最终按线性控制系统 进行设计分析 但是当系统的非线性特性较强时 就需要 采用其他方法对非线性系统控制器进行优化设计和仿真 Simulink中基于图形界面的Signal Constraint 或NCD Outport 模块为非线性系统控制器的优化设计和分析提
6、 供了有效的手段 第五章第五章第五章第五章 基于基于基于基于MATLABMATLAB工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计工具箱的控制系统分析与设计 2010 10 205 5 1控制系统工具箱简介控制系统工具箱简介 MATLAB的控制系统工具箱 主要处理以传递函数为主要特 征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题 该工具箱对控制系统 尤其是线性时不变系统的建模 分 析和设计提供了一个完整的解决方案 概括的说 控制系统 工具箱具有以下几个方面的功能 MATLAB的控制系统工具箱 主要处理以传递函数为主要特 征的经典控制和以状态空间为主要特征的
7、现代控制中的问题 该工具箱对控制系统 尤其是线性时不变系统的建模 分 析和设计提供了一个完整的解决方案 概括的说 控制系统 工具箱具有以下几个方面的功能 1 系统建模1 系统建模 控制系统工具箱中的大部分函数同时支持离散时间系统 和连续时间系统 从而更易于使用 能够建立系统的状态空 间 传递函数 零极点增益模型 并可实现任意两者之间的 转换 可通过串联 并联 反馈连接及更一般的框图建模来 建立系统的模型 可通过多种方式实现连续时间系统的离散 化 离散时间系统的连续化及重采样 控制系统工具箱中的大部分函数同时支持离散时间系统 和连续时间系统 从而更易于使用 能够建立系统的状态空 间 传递函数 零
8、极点增益模型 并可实现任意两者之间的 转换 可通过串联 并联 反馈连接及更一般的框图建模来 建立系统的模型 可通过多种方式实现连续时间系统的离散 化 离散时间系统的连续化及重采样 2010 10 206 2 系统分析2 系统分析 控制系统工具可计算系统的各种特性 如系统的能控性和 能观测性矩阵 传递零点 Lyapunov方程 时域特性 如超调 量 峰值时间 上升时间和调整时间等 频域特性 如稳定裕 度 阻尼系数以及根轨迹的增益选择等 支持系统的标准型实 现 系统的最小实现 均衡实现 降阶实现以及输入延时的 pad 控制系统工具可计算系统的各种特性 如系统的能控性和 能观测性矩阵 传递零点 Ly
9、apunov方程 时域特性 如超调 量 峰值时间 上升时间和调整时间等 频域特性 如稳定裕 度 阻尼系数以及根轨迹的增益选择等 支持系统的标准型实 现 系统的最小实现 均衡实现 降阶实现以及输入延时的 pad 估计 控制系统工具箱不仅支持对SISO系统的分析 也可对MIMO 系统进行分析 对系统的时域响应 可支持系统的单位阶跃响 应 单位脉冲响应 零输入响应 以及更广泛的对任意信号进 行仿真 对于系统的频率响应 可支持系统的Bode图 Nichols 图和Nyquist图的计算和绘制 另外 在控制系统工具箱中 提 供一个可视化的LTI观测器 LTI Viewer 大大方便了用户对系 统的各种曲
10、线的绘制和分忻 估计 控制系统工具箱不仅支持对SISO系统的分析 也可对MIMO 系统进行分析 对系统的时域响应 可支持系统的单位阶跃响 应 单位脉冲响应 零输入响应 以及更广泛的对任意信号进 行仿真 对于系统的频率响应 可支持系统的Bode图 Nichols 图和Nyquist图的计算和绘制 另外 在控制系统工具箱中 提 供一个可视化的LTI观测器 LTI Viewer 大大方便了用户对系 统的各种曲线的绘制和分忻 5 1控制系统工具箱简介控制系统工具箱简介 2010 10 207 3 系统设计3 系统设计 控制系统工具箱可以进行各种系统的补偿设计 如LQG线 性二次型设计 线性系统的根轨迹
11、设计和频率法设计 线性 系统的极点配置 以及线性系统观测器设计等 在控制系统工具箱中 提供了一个功能非常强大的单输 入单输出线性系统设计器 SISO Design Tool 它为用户设 计单输入单输出线性控制系统提供了非常友好的图形界面 控制系统工具箱可以进行各种系统的补偿设计 如LQG线 性二次型设计 线性系统的根轨迹设计和频率法设计 线性 系统的极点配置 以及线性系统观测器设计等 在控制系统工具箱中 提供了一个功能非常强大的单输 入单输出线性系统设计器 SISO Design Tool 它为用户设 计单输入单输出线性控制系统提供了非常友好的图形界面 5 1控制系统工具箱简介控制系统工具箱简
12、介 2010 10 208 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 5 2 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 MATLAB中的控制系统工具箱 控制系统工具箱 为线性时不变系统 LTI 的建模和分析提供了丰 富的函数和工具 既支持连续和离散系统 也能 够处理SISO和MIMO系统 并且 用户可以将多个 LTI模型放在同一个数组中统一进行计算和分析 MATLAB中的控制系统工具箱 控制系统工具箱 为线性时不变系统 LTI 的建模和分析提供了丰 富的函数和工具 既支持连续和离散系统 也能 够处理SISO和MIMO系统 并且 用户可以将多个 LT
13、I模型放在同一个数组中统一进行计算和分析 2010 10 209 5 2 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 使用控制系统工具箱的第一步是为系统选择适当的模 型 MATLAB支持的LTI模型包括 1 传递函数模型 TF 例如 使用控制系统工具箱的第一步是为系统选择适当的模 型 MATLAB支持的LTI模型包括 1 传递函数模型 TF 例如 2 2 10 s P s ss 2 零极点 增益模型 ZPK 例如2 零极点 增益模型 ZPK 例如 2 0 5 1 0 1 0 2 0 1 zz H z z zzz 3 状态空间模型 SS 例如3 状态空间模型 SS 例如 d xAxBu d
14、t yCxDu 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 2010 10 2010 5 2 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 4 频率响应数据模型 FRD 由系统频率响应的采样测量值 构成 例如 可以在FRD模型中存放实验中测量的系统频率 响应值 4 频率响应数据模型 FRD 由系统频率响应的采样测量值 构成 例如 可以在FRD模型中存放实验中测量的系统频率 响应值 一旦在MATLAB工作空间中创建了上述模型 就可以使用各种 函数来对系统模型进行分析和计算 例如
15、 可以针对系统的 各种模型设计补偿器 分析系统的各种属性 如可控性 可 观性 时域和频域响应等等 一旦在MATLAB工作空间中创建了上述模型 就可以使用各种 函数来对系统模型进行分析和计算 例如 可以针对系统的 各种模型设计补偿器 分析系统的各种属性 如可控性 可 观性 时域和频域响应等等 2010 10 2011 5 2 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 不同的系统模型在MATLAB中的存储形式是不同的 例如 用简单的分子分母多项式表示传递函数模型 用四 个矩阵 A B C和D表示状态空间模型 用
16、零极点集合来 说明系统的零极点 增益模型等等 不同的系统模型在MATLAB中的存储形式是不同的 例如 用简单的分子分母多项式表示传递函数模型 用四 个矩阵 A B C和D表示状态空间模型 用零极点集合来 说明系统的零极点 增益模型等等 MATLAB分别用定制的数据结构来存储这些模型 称为LTI 对象 包括TF ZPK SS和FRD对象 这些对象将所有模型 的信息封装起来 从而让用户可以从整体上对模型代表的 系统进行操作 MATLAB分别用定制的数据结构来存储这些模型 称为LTI 对象 包括TF ZPK SS和FRD对象 这些对象将所有模型 的信息封装起来 从而让用户可以从整体上对模型代表的 系统进行操作 2010 10 2012 5 2 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 表 5 1 LTI模型的创建函数表 5 1 LTI模型的创建函数 2010 10 2013 5 2 线性时不变系统的对象模型线性时不变系统的对象模型 一 创建一 创建LTI模型对象模型对象 一 创建一 创建LTI模型对象模型
