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1、控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计概述概述MATLAB软件软件与应用与应用9/2/20241主要内容主要内容n n控制系统计算机辅助设计技术的发展综述n n控制系统计算机辅助设计语言环境综述n n仿真软件的发展概况n nMATLAB/Simulink与 CACSD工具箱n n控制系统计算机辅助设计领域的新方法9/2/20242控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.1 1.1 控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计技术的发展综述技术的发展综述n n早期的控制系统设计早期的控制系统设计早期的控制系统设计早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算可以由纸笔等工具容易地计算
2、出来，如出来，如 Ziegler Ziegler 与与 Nichols Nichols 于于19421942年提出的年提出的 PID PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。经验公式就可以十分容易地设计出来。n n随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计 (computer-a
3、ided (computer-aided control system design , CACSD)control system design , CACSD)方法。方法。9/2/20243控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。 早在早在19821982年年12 12 月和月和1984 1984 年年12 12 月，控制系统领域在国际上月，控制系统领域在国际上最权威的最权威的IEEEIEEE控制系统学会的控制系
4、统杂志控制系统学会的控制系统杂志(Control (Control Systems Magazine)Systems Magazine)和和IEEEIEEE学会的科研报告集学会的科研报告集(Proceedings (Proceedings of IEEE)of IEEE)分别第一次出版了关于分别第一次出版了关于CACSDCACSD的专刊的专刊 近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD CACSD 软软件频繁出现且种类繁多，件频繁出现且种类繁多，MATLAB MATLAB 语言语言语言语言出现以来，就深受出现以来，就深受控制领域学生和研究者的
5、欢迎，已经成为控制界最流行、控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。9/2/20244控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 MATLAB MATLAB 作为主要程序设计语言来介绍控制系统作为主要程序设计语言来介绍控制系统作为主要程序设计语言来介绍控制系统作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅助设计的算法，可以使计算机辅助设计的算法，可以使计算机辅助设计的算法，可以使计算机辅助设计的算法，可以使设计者设计者设计者设计者将主要精将主要精将主要精将主要精力集中在控制系统理论和方法上力
6、集中在控制系统理论和方法上力集中在控制系统理论和方法上力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解，避免有较好的整体了解，避免“ “只见树木，不见森林只见树木，不见森林” ”的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。9/2/20245控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致国际上控制系统计算机辅助设计软件的发
7、展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段当前的面向对象的程序环境阶段n n这些软件包大都是由这些软件包大都是由 FORTRAN FORTRAN 语言编写的源程序组成语言编写的源程序组成的，给使用者提供了较好的接口，但和的，给使用者提供了较好的接口，但和 MATLAB MATLAB 相比，相比，调用方法和使用明显显得麻烦、不便。调用方法和使用明显显得麻烦、不便。n n现在，现在，MATLAB MATLAB MATLAB MATLAB 已经风靡了全世界，成为控制系统仿真已经风靡了全世界，成为控制系统仿真已经风靡了全世界，
8、成为控制系统仿真已经风靡了全世界，成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言算机语言算机语言算机语言。9/2/20246控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n系统仿真领域有很多自己的特性，如果能选择一种系统仿真领域有很多自己的特性，如果能选择一种能反映当今系统仿真领域最高水平，也是最实用的能反映当今系统仿真领域最高水平，也是最实用的软件或语言介绍仿真技术，使得读者能直接采用该软件或语言介绍仿真技术，使得读者能直接采用该
9、语言解决自己的问题，将是很有意义的。语言解决自己的问题，将是很有意义的。n n实践证明，实践证明，MATLAB MATLAB 就是这样的仿真软件，由于它就是这样的仿真软件，由于它本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航空本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。n n基于基于基于基于 MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink的控制系统仿真与设计方的控制系统仿真与设计方的控制系统仿真与设计方的控制系统仿真与设计方法及其应用法及其应用法及其应用法及其应用。9/2/20247控制系统计算机辅助设计
10、MATLAB语言与应用1.4 MATLAB/Simulink与与 CACSD 工具箱工具箱n n早期的早期的 MATLAB MATLAB 的功能十分简单，当它作为免的功能十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。n nCleve Cleve MolerMoler 和和 John Little John Little 等人于等人于19841984年成立了年成立了一个名为一个名为 The The MathWorksMathWorks 的的 公司公司n nThe The MathWorksMathWorks 公司于公司于1992 1992 年
11、推出了具有划时年推出了具有划时代意义的代意义的 MATLAB 4.0MATLAB 4.0版本。版本。9/2/20248控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n nMATLAB MATLAB 目前已经成为控制界国际上最流行的软件，目前已经成为控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的便的 Windows Windows 编程等便利工具。编程等便利工具。n n此外，控制界很多学者将自己擅长的此外，控制界很多学者将自己擅长的 CAD
12、 CAD 方法用方法用MATLAB MATLAB 加以实现，出现了加以实现，出现了大量的大量的大量的大量的 MATLAB MATLAB 配套配套配套配套工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、具箱、具箱、具箱、 分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最分析与综合工具箱、神经网络工具箱、
13、最分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境 SimulinkSimulink。9/2/20249控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n早期的早期的 CACSD CACSD 研究侧重于对控制系统的计算机辅研究侧重于对控制系统的计算机辅助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响应系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率
14、响应的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法设计一个控制器，然后设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察设利用仿真的方法去观察设利用仿真的方法去观察设利用仿真的方法去观察设计的效果。计的效果。计的效果。计的效果。1.5 控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计领域的新方法领域的新方法9/2/202410控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些基于基于最优化技术的控制方法最优化技术的控制方法最优化技术的控制方法最优化技术的控制方法，其中比较著名的是，其中比
15、较著名的是英国学者英国学者 John Edmunds John Edmunds 提出的多变量参数最优提出的多变量参数最优化控制方法和英国学者化控制方法和英国学者 ZakianZakian 提出的不等式控制提出的不等式控制方法等。方法等。n n与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表示与设计方法。此方法往往又称为时域方法示与设计方法。此方法往往又称为时域方法 (time-domain)(time-domain)，首先在线性二次型指标下引入了首先在线性二次型指标下引入了最优控制的概念，并在用户的干预下最优控制的概念，并在用户的干预下( (如人工选择如人工
16、选择加权矩阵加权矩阵) )得出某种最优控制的效果，这样的控制得出某种最优控制的效果，这样的控制又往往需要引入状态反馈或状态观测器新的控制又往往需要引入状态反馈或状态观测器新的控制概念。概念。9/2/202411控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n从控制系统的鲁棒性角度也出现了各种各样的控从控制系统的鲁棒性角度也出现了各种各样的控制方法，如各种制方法，如各种 最优控制的方案最优控制的方案. .n n随着控制器的阶次越来越高，还出现了很多的控随着控制器的阶次越来越高，还出现了很多的控制器降阶方法来实现设计出的控制器。制器降阶方法来实现设计出的控制器。n n线性矩阵不等式线性矩阵不等式
17、 (linear matrix inequalities) (linear matrix inequalities) 及及 分析与综合等控制系统设计方法也在控制界有较分析与综合等控制系统设计方法也在控制界有较大的影响，而这些方法不通过计算机这样的现代大的影响，而这些方法不通过计算机这样的现代化工具是不能完成的。化工具是不能完成的。9/2/202412控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n分数阶控制领域也出现了很多新的研究成果，分数阶控制领域也出现了很多新的研究成果，是控制理论的一个较新的研究领域。是控制理论的一个较新的研究领域。n n 教教授和合作者对传统的，也是工业授和合作者对传
18、统的，也是工业中应用最广泛的中应用最广泛的 PID PID 控制器进行了改进，提控制器进行了改进，提出了自整定出了自整定 PID PID 控制器更加切合于过程控制控制器更加切合于过程控制的实际应用。的实际应用。9/2/202413控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n1、在 MATLAB 环境中如何表示各种各样的线性系统数学模型。n n2 2、线性控制系统的基本分析方法。n n3、基于 Simulink 的非线性系统建模方法与技巧。n n4 4、各种经典的控制系统设计方法。基本结构和内容基本结构和内容9/2/202414控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n5 5、各类
19、系统的鲁棒控制器设计方法。n n6 6、自适应控制与智能控制系统的建模、仿真与设计问题。n n7 7、基于 dSPACE 和 Quanser 软硬件系统介绍了控制系统的办实物仿真及实时控制方法，为控制理论及方法的工程应用打好基础。9/2/202415控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用线性控制系统的数学模型线性控制系统的数学模型控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用9/2/202416控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院1 1 连续线性系统的数学连续线性系统的数学 模型与模型与MATLABMATLAB表示表示n3.1.1线性系统的状态方程模型n n3.1
20、.2 线性系统的传递函数模型n n3.1.3 线性系统的零极点模型n n3.1.4 多变量系统的传递函数矩阵模型9/2/202417控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院线性连续系统数学模型线性连续系统数学模型及及MATLAB 表示表示n n线性系统的传递函数模型n n 为阶次， 为常数， 物理可实现9/2/202418控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院传递函数表示传递函数表示n n数学方式n nMATLAB输入语句9/2/202419控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院传递函数输入举例传递函数输入举例n n例3-1 输入
21、传递函数模型n nMATLAB输入语句 n n在MATLAB环境中建立一个变量 G9/2/202420控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院另外一种传递函数输入方法另外一种传递函数输入方法n n例3-2 如何处理如下的传递函数？n n定义算子 ，再输入传递函数9/2/202421控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院n n应该根据给出传递函数形式选择输入方法n n例3-3 输入混合运算的传递函数模型 显然用第一种方法麻烦，所以9/2/202422控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院MATLAB的传递函数对象的传递函数对象9/2/202423控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院传递函数属性修改传递函数属性修改n n例3-4 延迟传递函数 ，即n n若假设复域变量为 ，则9/2/202424控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院传递函数参数提取传递函数参数提取n n由于使用单元数组，直接用 不行n n有两种方法可以提取参数n n这样定义的优点：可以直接描述多变量系统n n第 i 输入对第 j 输入的传递函数9/2/202425控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院
