控制系统MATLAB仿真与应用第1章课件.ppt

1、机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS控制系统MATLAB仿真与应用机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS讲课内容讲课内容第第 1 1 章章 概述概述第第 2 2 章章 MATLAB MATLAB 程序设计基础程序设计基础第第 3 3 章章 MATLAB MATLAB 图形设计图形设计第第 4 4 章章 控制系统数学模型及其控制系统数学模型及其MATLABMATLAB描述描述第第 5 5 章章 控制系统计算机辅助分析控制系统计算机辅助分析第第 6 6 章章 控制系

2、统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计第第 7 7 章章 控制系统控制系统SimulinkSimulink仿真仿真第第 8 8 章章 控制系统控制系统MATLABMATLAB仿真实例仿真实例机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS第第1 1章章 概述概述1.1 1.1 控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述1.2 MATLAB1.2 MATLAB仿真简介仿真简介机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.1 控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设

3、计概述1.1.1 1.1.1 变量定义与管理变量定义与管理控制系统在社会的各个领域无处不在，已得到广泛的应用。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率和相位等，都有相应的控制系统。在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济和社会等所有领

4、域。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.1 控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述1.1.1 1.1.1 变量定义与管理变量定义与管理1.1.建立数学模型建立数学模型为了分析对象的特征并解决控制的某些问题，需将表征对象所发生的物理、化学现象、生物现象等用数学表达式数学表达式表征出来，这种数学表达式就是系统的数学模型数学模型。建立受控对象的数学模型途径：建立受控对象的数学模型途径：根据物理规律，直接列写出对象的动力学方程。系统辨识（system identification）的方法。即对受控对象施加一定的试验信

5、号，通过测量输入和输出数据，并对它们进行分析、处理，从而辨识出对象的数学模型。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.1 控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述1.1.1 1.1.1 变量定义与管理变量定义与管理2.2.确定系统约束条件、性能指标确定系统约束条件、性能指标为了对各种控制系统的性能进行统一的评价，必须先确定一些典型的输入信号。通常是选用几种确定性函数作为典型输入信号（目前在工程实际中常用的典型输入信号有阶跃函数阶跃函数、脉冲函数脉冲函数、斜坡函斜坡函数数和正弦函数正弦函数）在典型输入信号作用下，系统

6、的性能应能反映出系统在实际工作条件下的性能。应用于不同场合的控制系统，其性能要求也不同。但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般可归结为稳定、稳定、快速、准确快速、准确。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.1 控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述1.1.1 1.1.1 变量定义与管理变量定义与管理3.3.控制系统分析控制系统分析系统分析是进行系统设计的根据，它通过研究系统数学模型的性质及其对典型信号输入下的解，来认识系统的动态运动规律，判断系统的稳定性、获得系统动态性能指标，并找出系统结构

7、参数与这些性能指标间的关系。控制系统的分析方法主要有时域分析法时域分析法、根轨迹法根轨迹法和频域特性法频域特性法。4.4.控制系统设计控制系统设计控制系统设计方法主要包括：经典控制理论经典控制理论、现代控制理论现代控制理论和智能智能控制理论控制理论。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.1 控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述1.1.2 1.1.2 控制系统计算机辅助设计的发展及应用控制系统计算机辅助设计的发展及应用控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计（CACSD）是一门以计算机为工具进行控制系统设计

8、与分析的技术，它是在控制系统计算机仿真基础上发展而来的方法。1.CACSD1.CACSD技术的发展技术的发展2.CACSD2.CACSD技术的应用技术的应用控制系统开发流程如下，计算机辅助控制系统建模 计算机辅助控制系统分析和设计 控制系统的计算机仿真机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.1 MATLAB1.2.1 MATLAB安装与启动安装与启动MATLAB具有以下特点：计算功能强大计算功能强大，绘图方便绘图方便，功能强大功能强大的工具箱的工具箱以及完整的帮助功能完整的帮助功能。当用户在计算

9、机上成功安装了MATLAB R2015a后，用户自定义的安装目录便包含了一系列文件和文件夹，如图所示。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.2 1.2.2 程序界面环境程序界面环境双击MATLAB R2015a安装目录内bin文件夹中的MATLAB.exe图标，启动MATLAB R2015a，出现启动界面启动界面，启动后弹出用户界面用户界面，分别如下所示。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.

10、2 1.2.2 程序界面环境程序界面环境1.菜单菜单/工具栏工具栏 新建：用于建立新的.m文件，图形，模型和图形用户界面。新建脚本：用于建立新的.m文件脚本。打开：用于打开MATLAB的.m文件，.fig文件，.mat文件，.mdl文件，.cdr文件等。导入数据：用于从其他文件导入数据，单击后弹出对话框，选择导入文件的路径和位置。保存工作区：用于把工作区数据存放到相应的路径文件中。设置路径：设置工作路径。预设：用于设置命令窗的属性。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.2 1.2.2 程序界面

11、环境程序界面环境2.2.命令行窗口命令行窗口命令行窗口是MATLAB最重要的窗口。用户输入各种指令、函数、表达式等，都在命令行窗口中完成的。3.3.工作区工作区工作区窗口显示当前内存中所有MATLAB变量的变量名、数据结构、字节数及数据类型等信息，不同变量类型分别对应不同的变量名图标。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.2 1.2.2 程序界面环境程序界面环境4.4.MATLAB R2015aMATLAB R2015a的通用命令的通用命令 常用命令机械工业出版社机械工业出版社CHINA MA

12、CHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.2 1.2.2 程序界面环境程序界面环境4.4.MATLAB R2015aMATLAB R2015a的通用命令的通用命令 输入内容编辑 标点机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.3 1.2.3 目录设置与文件管理目录设置与文件管理工作文件夹窗口工作文件夹窗口可显示或改变当前文件夹，还可以显示当前文件夹下的文件，以及提供文件搜索功能。与命令行窗口类似，该窗口也可以成为一个独立的窗口。机械工业出版社机械

13、工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.3 1.2.3 目录设置与文件管理目录设置与文件管理下面将介绍MATLAB搜索路径的查看和设置方法搜索路径的查看和设置方法。1）查看MATLAB搜索路径单击MATLAB主界面菜单/工具栏中的“设置路径”按钮，打开“设置路径”对话框，如下图。该对话框分为左右两部分，左侧的几个按钮用来添加目录到搜索路径，还可以从当前的搜索路径中移除选择的目录；右侧的列表框列出了已经被MATLAB添加到搜索路径的目录。机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA

14、MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.3 1.2.3 目录设置与文件管理目录设置与文件管理2）设置MATLAB的搜索路径MATLAB提供了3种方法来设置搜索路径设置搜索路径：在命令行窗口中输入：edit path或者pathtool或者通过MATLAB主界面菜单栏上的File-Set Path菜单，进入Set Path对话框，然后通过该对话框编辑搜索路径。在命令行窗口中输入：path(path,path)。其中，path是待添加目录的完整路径。在命令行窗口中输入：addpath pathbegin。其中，path是待添加目录的路径，将新目录添加到搜索路径的开始机械工业出

15、版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS1.2 MATLAB简介简介1.2.4 Simulink1.2.4 Simulink仿真环境仿真环境Simulink的出现给控制系统分析与设计带来了福音，它有两个主要功能：Simu(仿真仿真)和link(连接连接)，即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用Simulink提供的功能对系统进行仿真和分析。在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。可见，熟悉掌握Simulink对于一个当代从事自动控制方面工作的人来说，非常必要。