《《计算机仿真技术及CAD》(第5版)课件（共11单元）第9章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机仿真技术及CAD》(第5版)课件（共11单元）第9章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计（168页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1计算机仿真技术计算机仿真技术及及CADCAD基于MATLAB的控制系统（第5版）2本章内容(1)LTI对象的三种表示方法及其相互转换；(2)采用多个分离变量进行描述的系统模型与LTI对象模型之间的相互转换；(3)线性时不变系统观测器(LTIViewer)的使用方法及其在线性和非线性系统分析中的应用；(4)单变量线性系统设计器（SISODesignTool）的使用方法及其在线性系统分析和设计中的应用；(5)利用Simulink的SignalConstraint模块、NCDOutport模块或CheckStepResponseCharacteristics模块对系统输出信号具有约束的作用，实现对
2、具有不确定参数的非线性系统进行控制器的优化设计。第9章 基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计3在第7章和第8章中分别介绍了利用MATLAB对控制系统进行分析和设计的函数，这些MATLAB的控制系统工具箱（ControlSystemsToolbox）中的函数都是直接在MATLAB命令行窗口中执行并显示结果的。为了进一步方便用户，在MATLAB的控制系统工具箱中也提供了一套基于图形界面的系统分析和设计工具。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（LinearTime-Invariant，简称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。4当系统的非线性特性较强时
3、，就需要对非线性系统采用其他方法进行控制器的优化设计和仿真。Simulink中基于图形界面的NCDOutport模块、SignalConstraint模块或CheckStepResponseCharacteristics模块为非线性系统的控制器优化设计和分析提供了有效的手段。下面将对MATLAB中的控制系统工具箱（ControlSystemsToolbox）、NCDOutport模块、SignalConstraint模块和CheckStepResponseCharacteristics模块予以详细介绍。59.1 9.1 控制系统工具箱的简介控制系统工具箱的简介l系统建模l系统分析l系统设计61
4、 1 系统建模系统建模l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：l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。72 2 系统分析系统分析l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。l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；l 对系统的频率响应，可支持系统的Bode图、Nichols图和Nyquist图进行计算和绘制。l另外，在控制系统工具箱中，提供一个可视化的LTI观测器（LTI
5、Viewerr/Linear SystemAnalyzer），它大大方便了用户对系统的各种绘制和分析。8 3 3 系统设计系统设计l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。l在控制系统工具箱中，也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(SISODesignTool/ControlSystemDesigner),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。99.2 9.2 线性线性时不变系统时不变系统的对象模型的对象模型为了避免对一个系统采用多个分离变量进行描述
6、，如在第2章介绍的状态空间模型需要四个分离矩阵来描述；传递函数模型需要两个分离向量来描述等等。在控制系统工具箱中，通过有关函数将线性时不变系统的各种模型描述封装成一个LTI对象来更好地操纵一个系统。本节将着重介绍在控制系统工具箱中常见线性时不变系统的数学模型、系统模型间的相互转换及其MATLAB的实现。109.2.1 LTI9.2.1 LTI对象对象ltf对象：封装了由传递函数模型描述的线性时不变系统的所有数据。lzpk对象：封装了由零极点模型描述的线性时不变系统的所有数据。lss对象：封装了由状态空间模型描述的线性时不变系统的所有数据。控制系统工具箱中最基本的数据类型为线性时不变（Linea
7、rTime-Invariant，简称LTI）对象。LTI对象拥有描述一个线性时不变系统的所有信息，它有如下的三种方式：111. LTI1. LTI系统系统tf tf对象模型的建立对象模型的建立lsys=tf(num,den)l生成连续系统的LTI传递函数模型lsys=tf(num,den,TS)l生成离散系统的LTI传递函数模型9.2.2 9.2.2 模型建立及模型转换函数模型建立及模型转换函数122. LTI2. LTI系统系统zpkzpk对象模型的建立对象模型的建立lsys=zpk(z,p,k)l生成连续系统的LTI零极点模型lsys=zpk(z,p,k,TS)l生成离散系统的LTI零极点
8、模型13lsys=ss(A,B,C,D)l生成连续系统的LTI传递函数模型lsys=ss(A,B,C,D,Ts)l生成离散系统的LTI传递函数模型3. LTI3. LTI系统系统ssss对象模型的建立对象模型的建立141. 1. 获取传递函数模型数据获取传递函数模型数据lMATLAB函数tfdata()的调用格式为lnum,den=tfdata(sys)lnum,den=tfdata(sys,v)lnum,den,Ts,Td=tfdata(sys)9.2.3 LTI9.2.3 LTI对象属性的存取和设置对象属性的存取和设置 152. 2. 获取零极点模型数据获取零极点模型数据lMATLAB函数
9、zpkdata()的调用格式为lz,p,k=zpkdata(sys)lz,p,k=zpkdata(sys,v)lz,p,k,Ts,Td=zpkdata(sys)16lMATLAB函数ssdata()的调用格式为lA,B,C,D=ssdata(sys）lA,B,C,D,Ts,Td=ssdata(sys）3. 3. 获取标准状态空间模型数据获取标准状态空间模型数据179.3 9.3 线性时不变系统浏览器线性时不变系统浏览器l线性时不变系统浏览器（在MATLAB6.x/7.x中称LinearTime-InvariantViewer，简称LTIViewer；在MATLAB8.x/9.x中称Linear
10、SystemAnalyzer）是控制系统工具箱中所提供的线性时不变系统浏览器工具，主要用来完成系统的分析与线性化处理。lLinearTime-InvariantViewer与LinearSystemAnalyzer的功能设置和使用方法是完全相同的。18l在对非线性系统的线性化分析时，线性时不变系统浏览器LTIViewer/LinearSystemAnalyzer是进行系统分析的最为直观的图形界面,采用LTIViewer/LinearSystemAnalyzer使得用户对系统的线性分析变得简单而直观。LTIViewer/LinearSystemAnalyzer浏览器提供了极其丰富的功能，它可以使
11、用户对系统进行非常详细的线性分析。l在利用LTIViewer/LinearSystemAnalyzer对系统进行分析时，必须将系统模型转换为LTI对象（线性时不变系统对象）的三种形式(ss对象、tf对象和zpk对象)之一，因LTI对象是控制系统工具箱中最为基本的数据类型。191. 1. 启动启动LTILTI浏览器浏览器在MATLAB中,有几种方法启动LTIViewer/LinearSystemAnalyzer：(1)在MATLAB的命令窗口中直接键入ltiview命令;(2)在MATLAB6.x/7.x操作界面的左下角“Start”菜单中，单击“ToolboxsControlsystem”命令
12、子菜单中的“LTIViewer”选项；在MATLAB8.x/9.x操作界面的应用程序（APPS/APP）页面中，单击控制系统设计和分析工具箱（ControlSystemToolbox）中的线性系统分析器(LinearSystemAnalyzer)。20图9-1在以上两种方式启动下，LTIViewer/LinearSystemAnalyzer窗口如图9-1所示。其中,图9-1(b)所示的是在第二种方式启动下，由于MATLAB6.x/7.x采用了默认系统模型，故也同时显示系统的单位阶跃响应曲线（Step）和单位脉冲响应（Impulse）曲线。(a)LTIViewer窗口(b)LTIViewer窗口
13、(c)LinearSystemAnalyzer窗口212. 2. 输入系统模型输入系统模型l在启动LTIViewer/LinearSystemAnalyzer之后，需要利用LTIViewer/LinearSystemAnalyzer窗口中File菜单下的Import命令，输入用户所要进行分析的线性系统的LTI模型。该线性系统的LTI模型可来自MATLAB工作空间或磁盘文件中。但如果对象模型来源为Simulink系统模型框图，则必须对此进行线件化处理以获得系统的LTI对象描述。这是因为在LTIViewer中所分析的线性系统的所有对象必为LTI对象(ss对象、tf对象和zpk对象)。22l例9-8
14、 绘制例6-15中非线性系统进行线性化处理后所得线性化状态空间模型l的单位阶跃响应曲线。l解 (1)首先根据以上线性化状态空间模型的系数矩阵(A,b,c,d)的值，在MATLAB窗口中利用以下命令获得该系统的ss对象ex9_8的描述。lA=-0.199;b=0.001;c=1;d=0;ex9_8=ss(A,b,c,d);23l(2)然后按第一种方式启动LTI Viewer，并利用LTIViewer窗口中的菜单FileImport命令，打开如图9-2所示的系统模型输入对话框。24l(3)最后在图9-2所示的对话框中，选中所要进行分析的线性系统的LTI模型ex9_8，单击【OK】按钮，便可以完成线
15、性系统的模型输入。此时便可得到如图9-3所示的单位阶跃响应曲线。253.3.绘制系统的不同响应曲线绘制系统的不同响应曲线l在已有系统响应曲线的LTIViewer窗口中，利用单击鼠标右键，选择如图9-4所示的弹出菜单PoltType选项下的子菜单，可以来改变此窗口中系统响应曲线的类型。图9-426l由图9-4所示的菜单可知，使用LTIViewer，除可以绘制系统的单位阶跃响应曲线（Step）外，还可以绘制系统的单位脉冲响应曲线（Impulse）、波特图（Bode）、零输入响应（InitialCondition）、波特图幅值图（BodeMagnitude）、奈奎斯特图（Nyquist）、尼科尔斯图
16、（Nichols）、奇异值分析（SingularValue）以及零极点图（PoleZero）等。274 4 改变系统响应曲线绘制布局改变系统响应曲线绘制布局图9-5响应曲线布局设置2829l使用LTIViewer不仅可以方便地绘制系统的各种响应曲线，还可以从系统响应曲线中获得系统响应信息，从而使用户可以对系统性能进行快速的分析。首先，通过单击系统响应曲线上任意一点，可以获得动态系统在此时刻的所有信息，包括运行系统的名称、系统的输入输出以及其他与此响应类型相匹配的系统性能参数。例如，对于系统的单位脉冲响应，单击响应曲线中的任意一点，可以获得系统响应曲线上此点所对应的系统运行时间（Time）、幅值（Amplitude）等信息，如图9-7所示。5.5.系统时域与频域性能分析系统时域与频域性能分析30图9-7316.LTI Viewer 6.LTI Viewer 图形界面的高级控制图形界面的高级控制l对LTIViewer图形窗口的控制有两种方式。l(1)对整个浏览器窗口LTIViewer进行控制：单击LTIViewer窗口的Edit菜单下的ViewerPreferences命令对浏览器进行设置
