《《自动控制理论》课程设计指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《自动控制理论》课程设计指导书（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、自动控制理论课程设计指导书 电子工程学院2007年9月第一章 MATLAB 简介1.1概述MATLAB是MATrix LABoratory的缩写，早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。由于MATLAB提供了强大的矩阵处理和绘图功能，因此，很多专家在自己擅长的领域，用它编写了许多专门的MATLAB工具包（toolbox），如控制系统工具包（control systems toolbox）、系统辨识工具包（system identification toolbox）、信号处理工具包（signalprocessing toolbox）、最优化工具包（optimization toolbo
2、x）等等。因此，MATLAB成为一种包罗众多学科的功能强大的“技术计算机语言”。也可以说它是“第四代”计算机语言。在欧美等国家的高等院校中，MATLAB软件已成为应用代数、自动控制原理、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等课程的基本数学工具，成为学生必须掌握的基本软件之一。MATLAB以矩阵作为基本的编程单元，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB集科学计算、图象处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面和帮助功能。1.2 MATLAB运行环境（1） MATLAB的启动运行方法当系统安装完成后，在桌面上创建了一个MATLAB的快捷图标，
3、双击该图标就可以打开MATLAB的工作界面；也可以通过打开开始菜单的程序，选项选择MATLAB的程序选项来打开。（2） MATLAB的操作界面MATLAB的操作界面包括：命令窗口（Command Window）、工作空间窗口（Workspace）、当前路径窗口（Current Directory）、命令历史窗口（Command History）、启动平台（Launch Pad）5个平台。其中工作空间窗口（Workspace）和启动平台（Launch Pad）共用一个窗口。命令窗口（Command Window）：用于输入MATLAB命令、函数、矩阵、表达式等信息，并显示除图形之外的所有计算结果
4、，是MATLAB的主要交互窗口。当命令窗口出现提示符 时，表示MATLAB已准备好，可以输入命令、变量或运行函数。工作空间窗口（Workspace）：是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。通过工作空间窗口可以观察数据名称、尺寸及数据类型等信息。当前路径窗口（Current Directory）：用于显示及设置当前的工作目录，同时显示当前工作目录下的文件名、文件类型及目录的修改时间等信息。命令历史窗口（Command History）：为记录已运行过的MATLAB命令而设计的，该窗口记录已运行过的命令、函数、表达式等信息；也可以进行命令历史的查找、检查等工作；也可以在该窗口对命令历史进
5、行复制及重运行。启动平台（Launch Pad）：可以帮助用户方便地打开和调用MATLAB的各种程序、函数和帮助文件。启动平台列出了系统中安装的所有的MATLAB产品和目录，包括MATLAB产品的帮助界面、演示界面、各种应用界面及网站的产品页等。1.3 MATLAB的程序设计及调试1.3.1 M文件的创建M文件是一个文本文件，它可以用任何编辑程序来建立和编辑。最方便的还是使用MATLAB提供的文本编辑器，因为MATLAB文本编辑器具有编辑与调试两种功能。建立M文件只要启动文本编辑器，在文挡窗口中输入M文件的内容，然后保存即可。启动文本编辑器有三种方法：（1）菜单操作：从MATLAB操作桌面的“
6、File”菜单中选择“New”菜单项，再选择“M-file”命令，屏幕上将出现MATLAB文本编辑器窗口。（2）命令操作：在MATLAB命令窗口输入命令“edit”，按Enter键后，即可启动。（3）命令按钮操作：单击MATLAB命令窗口工具栏上的新建命令按钮，启动MATLAB文本编辑器。打开已有的M文件，也有三种方法：（1）菜单操作：从MATLAB操作桌面的“File”菜单中选择“Open”菜单项，则屏幕上出现Open对话框，在Open对话框中选择所需打开的M文件。在文档窗口可以对打开的M文件进行编辑修改，编辑完成后，将M文件存盘。（2）命令操作：在MATLAB命令窗口输入命令，即“edit
7、”文件名，则打开指定的M文件。（3）命令按钮操作：单击MATLAB命令窗口工具栏上”Open File”命令按钮，再从弹出的对话框中选择所需打开的M文件。1.3.2流程控制MATLAB的流程控制语句包括循环控制、条件转移等，语法与其他高级语言相似。1循环语句 MATLAB里的循环语句结构可用for end语句和whileend语句来实现。（1）for end语句for语句使用灵活，通常用于循环次数已确定的情况。其调用格式为： for变量名=表达式 循环体语句组 end （2）whileend语句 while语句一般用于实现不能确定循环次数的情况。while语句的基本形式是： while条件表达
8、式 循环体语句组 end 2条件语句： MATLAB使用如下的if命令，语法和C语言相似。 if （逻辑运算式） （true语句组） else （false语句组） end 其中也可以用elseif进行多分支选择。 3开关语句结构 MATLAB从5.0版本开始提供了开关语句结构，其基本格式为： Switch 开关表达式 case 表达式1 语句组1 Case 表达式2 语句组2 otherwise 语句组n end4试探式语句结构 MATLAB从5.2版本开始提供试探式语句结构，其基本格式为： try 语句组1 Catch 语句组1 End5break、continue与 return语句 与
9、循环结构相关的语句还有break语句和continue语句。它们一般与if语句配合使用。break语句用来终止当前的循环；continue语句用来终止本次循环并继续下次循环；return语句用来终止本次函数调用或终止键盘输入的模式。1.3.3 程序的调试一般来说，应用程序的错误有两类：语法错误与运行错误。语法错误包括词法或文法的错误，例如函数名的拼写错误、表达式的书写错误等。程序运行时的错误是指程序的运行结果有错误，这类错误也称为程序逻辑错误。1调试器的使用MATLAB程序编辑/调试器上与调试有关的主要菜单项及按钮有：Continue：恢复程序运行至结束或另一断点。Single Step：单步
10、执行函数。Step in：深入下层局部工作区。Quit Debugging：退出调试状态。Set/Clear Breakpoint：设置/清除光标处的断点。Clear All Breakpoint：清除程序中的所有断点。Stop if Error：运行至出错或结束。Stop if Warring：运行至警告消息或结束。Stop if NaN or Inf：运行至运算结果出现NaN或Inf。2调试命令除了采用调试器调试程序外，MATLAB还提供了一些命令用于程序调试。命令的功能和调试器菜单命令相似，当M文件大，递归调用或者多次嵌套时，用MATLAB的调试函数会更方便。第二章 MATLAB 在控制
11、系统中的应用2.1 概述MATLAB提供了大量的控制工程计算、设计库函数。其中，控制系统软件包包括复数运算、特征值计算、方程求解、矩阵变换以及FFT等重要计算工具及举例。MATLAB的线性代数处理，矩阵运算和数值分析的能力为控制系统工程设计及其它学科研究提供了可靠的基础和强有力的研究工具。控制系统软件包利用MATLAB矩阵功能提供了适用于控制工程的专用函数，这些函数大部分用M文件表示。控制系统软件包可以方便地用于控制系统设计、分析和建模。在控制系统软件包中，控制系统通常采用传递函数与状态空间两种形式建模，允许“经典”和“现代”技术并用，既可处理连续时间系统也可处理离散时间系统，并且可以进行不同
12、模型表示形式之间的相互转换，也可以计算和绘制时间响应、频率响应及根轨迹图。此外M文件还能够进行极点配置和最优控制器的参数计算。即使在软件包中没有提供的功能，也可以通过编写新的M文件方式来构造。2.2 控制系统的数学描述在MATLAB中，控制系统的数学模型主要有：微分方程模型、传递函数模型、零极点模型、状态方程模型和结构图模型。这些模型之间存在着内在的等效关系。2.2.1物理系统的微分方程利用机械学 、电学、流体力学和热力学等的物理规律，我们可以得到物理系统的动态方程。它们通常用常系数线性微分方程来描述。通过拉普拉斯变换和反变换，可得到线性时不变方程的解析解，也可用状态转移矩阵 (t)求解。这些
13、分析方法通常只限于常系数的线性微分方程。解析解是精确的，然而通常寻找解析解是困难的，甚至是不可能的。而数值分析方法直接在时域里求解微分方程，不仅适用于线性时不变方程，也适用于非线性以及时变微分方程。MATLAB提供了两个求微分方程数值解的函数，它们采用龙格-库塔(Runge-kutta)法。Ode23和ode45分别表示采用2阶和4阶龙格库塔公式，后者具有更高的精度。n阶微分方程必须化为n个首1的一阶微分方程组，且放入M-文件中，以便返回方程状态变量的导数，下面举例介绍这些函数的用法。例2.1 对图2-1的机械系统，已知三个量拉力、摩擦力、以及弹簧力都影响质量M的加速度。解：利用牛顿运动定理，
14、建立系统的力平衡方程式图2-1令 ，有 设质量M=1kg，摩擦系数B=5N/m/sec，弹簧常数K=25N/m。在t=0时刻，施加25N的拉力。上述方程及已知量在M-文件mechsys.m中定义如下：function xdot=mechsys(t, x);F=25;M=1;B=5;K=25;xdot=x(2);1/M*(F-B*x(2)-K*x(1);下面的M-文件使用ode23对系统在零初始条件下进行仿真：t0=0; tfinal=3; 时间间隔03秒x0=0,0; 零初始条件tol=0.001; 精度trace=0; 如果非零，则打印出每一步的计算值t, x=ode23(mechsys,t0,tfinal,x0,tol,trace)subplot(211),plot(t, x);title (Time response of mechanical translational system)xlabel (Time-sec)text (2,1.2,displ
