MATLAB语言与控制系统仿真

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1、MATLAB语言与控制系统仿真华中科技大学电气与电子工程学院应用电子工程系康勇 李勋二00一年十一月通过本课程的学习，使学生初步掌握当前流行 的演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学 课程自动控制原理，学会运用MATLAB语 言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能， 为今后从事科学研究打下较好的基础。课程任务学时安排与考试形式 总学时：32（其中上机学时12） 考试方式：上机操作第一章 计算机仿真和辅助设计概述（1） 第二章 MATLAB语言基础（5） 第三章 控制系统的数学描述与建模（4） 第四章 控制系统的分析方法（4） 第五章 SIMULINK仿真基础（6）教学内容参考书目MATLA

2、B语言与自动控制系统设计机械工业出版社，1997年，魏克 新 控制系统数字仿真与CAD机械工业大学出版社，1999年，张晓华 反馈控制系统设计与分析 MATLAB语言应用清华大学出版社， 2000年，薛定宇 基于MATLAB的系统分析与设计控制系统，西安电子科技大学 出版社，1999年，楼顺天 MATLAB5. X应用与技巧，科学出版社，1999年，蒙以正 MATLAB5.X入门与应用，科学出版社，1999年，柳承茂 MATLAB电子仿真与应用，国防工业出版社，2001年，韩竹利CH1、计算机仿真和辅助设计概述第一节 计算机仿真和辅助设计的基本 概念 一、初识控制系统计算机仿真和辅助设计 例e

3、xp1_1.m 例exp1_2.m/exp1_3.m/exm1_2.mdl 二、计算机辅助设计与仿真的概念 1、计算机辅助设计的概念 计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速 而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能 力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性 思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高 设计质量的技术。 说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算 机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计 算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不 便与繁琐。 2、计算机仿真的概念 仿真的定义 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比 模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它

4、所遵 循的基本原则是相似性原理。 计算机仿真的定义 计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计 算机对系统进行分析与研究的方法。1、模型的定义 模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式 的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽 象，是人们认识事物的一种手段或工具。 2、模型的分类 （1）物理模型 指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞 行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等 。 （2）数学模型 是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法 来再现原型的功能或结构特征。三、计算机仿真模型（3）仿真模型 指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机 可以实施的模型。 四、计算

5、机仿真的三要素及基本步骤（内容） 1、三要素 （1）系统：研究的对象 （2）模型：系统的抽象 （3）计算机：工具与手段2、基本步骤 包括三个基本的内容：建模仿真实验 结 果分析第二节仿真的分类一、按模型分类 1、物理仿真：采用物理模型，有实物介入！ 具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长 ，大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类 飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系 统等），具有实时性、在线的特点。 2、数学仿真：采用数学模型 在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经 济、快速、实用。二、按计算机类型分类1、模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行 的实验研究。50年代

6、 描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真， 具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但 受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控 制系统的仿真较困难，自动化程度低。 模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的“ 模拟运算放大器”为主要部件所构成。 2、数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助 于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代 计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可 以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度 可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时间 等因素影响，其精度也不易定得太高。 对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的 自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功

7、能。 计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果 的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题 ”会在不同程度上有所改进与提高。 数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人 员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出 的程序。3、混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。 4、现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于 专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算 功能强大，使用方便，易学。80年代以来第三节仿真技术的应用与发展一、仿真技术在工程中的应用 1、航空与航天工业 飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件 ）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。 飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。 2

8、、电力工业 电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态 稳定性以及最优潮流控制等。 电站操作人员培训模拟系统。3、原子能工业 模拟核反应堆 核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故 障的排除处理。 4、石油、化工及冶金工业 5、非工程领域 医学 社会学 宏观经济与商业策略的研究二、应用仿真技术的意义1、经济 大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空 间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右 ，而采用仿真实验仅需其成本的1/101/5，而且设 备可以重复使用。 2、安全 某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接 实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而 采用仿真实验可以有效降低危险

9、程度，对系统的 研究起到保障作用。3、快捷 提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。 4、具有优化设计和预测的特殊功能 对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非 常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计 功能。 在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统） ，由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不 可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统 的某种超前认识。三、仿真技术的发展趋势1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿 真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿 真的实时性。 2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不 断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深 入地应用于仿

10、真软件开发之中，使得在人机界面 、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界 。 3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作 ，投资少，效果好。 4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体 技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多 学科，使人置身于真实环境之中。第四节计算机仿真软件 一、仿真软件的发展 1、程序编程阶段 所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等 ）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来 编写。 2、程序软件包阶段 出现了“应用子程序库”。 3、交互式语言阶段（仿真语言） 仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特 征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以

11、及 如何实现等低级问题。4、模型化图形组态阶段 符合设计人员对基于模型图形化的描述。 二、几种仿真软件 1、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件， 适合于元件级仿真。 2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件 3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各 种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行 ，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言， 而是一种高级的科学分析与计算软件。 4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形 组态的动态仿真环境。本章小结 仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本 原则是相似性原理。 数字仿真具有经济、安全、快捷的

12、特点。 仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的 关键内容。 系统模型可以分为物理模型、数学模型及仿真模型 ，据此可将仿真分为物理仿真和数学仿真两大类。 系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素， 建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。 MATLAB与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控 制系统数字仿真与CAD应用软件。CH2、 MATLAB语言基础 第一节 使用MATLAB的窗口环境 一、MATLAB语言的显著特点 1、具有强大的矩阵运算能力：Matrix Laboratory（ 矩阵实验室），使得矩阵运算非常简单。 2、是一种演算式语言 MATLAB的基本数据单元是既不需要指定

13、维数， 也不需要说明数据类型的矩阵（向量和标量为矩 阵的特例），而且数学表达式和运算规则与通常 的习惯相同。因此MATLAB语言编程简单，使用方便。例 exp2_1.m二、MATLAB命令窗口 1、启动MATLAB命令窗口 计算机安装好MATLAB之后，双击MATLAB图标 ，就可以进入命令窗口，此时意味着系统处于准备 接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令 语句。 MATLAB语句形式 变量表达式； 通过等于符号将表达式的值赋予变量。当键入回车 键时，该语句被执行。语句执行之后，窗口自动显 示出语句执行的结果。如果希望结果不被显示，则 只要在语句之后加上一个分号（；）即可。此时尽 管结

14、果没有显示，但它依然被赋值并在MATLAB 工作空间中分配了内存。2、命令行编辑器 （1）方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令：回调上一行命令 ：回调下一行命令 （2）命令窗口的分页输出 more off：不允许分页 more on：允许分页 more(n)：指定每页输出的行数 回车前进一行，空格键显示下一页，q结束当前显 示。 （3）多行命令（） 如果命令语句超过一行或者太长希望分行输入，则 可以使用多行命令继续输入。 S=1-12+13+4+ 9-4-18;三、变量和数值显示格式 1、变量 （1）变量的命名：变量的名字必须以字母开头（不能 超过19个字符），之后可以是任意字母、数字或下

15、划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包 含有标点符号。 （2）一些特殊的变量 ans：用于结果的缺省变量名 i、j：虚数单位 pi：圆周率 nargin：函数的输入变量个数 eps：计算机的最小数 nargout：函数的输出变量个数 inf：无穷大 realmin：最小正实数 realmax：最大正实数 nan：不定量 flops：浮点运算数（3）变量操作 在命令窗口中，同时存储着输入的命令和创建的所 有变量值，它们可以在任何需要的时候被调用。如 要察看变量a的值，只需要在命令窗口中输入变量 的名称即可：a 2、数值显示格式 任何MATLAB的语句的执行结果都可以在屏幕上 显示，同时赋值

16、给指定的变量，没有指定变量时， 赋值给一个特殊的变量ans，数据的显示格式由 format命令控制。 format只是影响结果的显示，不影响其计算与存储 ；MATLAB总是以双字长浮点数（双精度）来执 行所有的运算。 如果结果为整数，则显示没有小数；如果结果不是 整数，则输出形式有： format (short)：短格式（5位定点数）99.1253 format long：长格式（15位定点数 99.12345678900000 format short e：短格式e方式 9.9123e+001 format long e：长格式e方式 9.912345678900000e+001 format bank