控制系統(tǒng)MATLAB仿真與應(yīng)用第4章課件

1、機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS控制系統(tǒng)MATLAB仿真與應(yīng)用機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS講課內(nèi)容第 1 章 概述第 2 章 MATLAB 程序設(shè)計基礎(chǔ)第 3 章 MATLAB 圖形設(shè)計第 4 章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其MATLAB描述第 5 章 控制系統(tǒng)計算機輔助分析第 6 章 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計第 7 章 控制系統(tǒng)Simulink仿真第 8 章 控制系統(tǒng)MATLAB仿真實例機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS第4章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其MATLAB描述4.1 控制系統(tǒng)概述4.2 常用數(shù)學(xué)模型及Matlab描述4.3 基于Matla

2、b的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.1 控制系統(tǒng)概述所謂自動控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對生產(chǎn)設(shè)備或工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化。被控對象和控制裝置的總合稱為自動控制系統(tǒng)。被控制的設(shè)備或過程稱為被控對象；被控制的物理量稱為被控量或輸出量；決定被控量的物理量稱為控制量或給定量；妨礙控制量對被控量進行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動量。機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.1 控制系統(tǒng)概述4.1.1 系統(tǒng)組成自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。

3、機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.1 控制系統(tǒng)概述4.1.2 控制方式根據(jù)控制系統(tǒng)有無反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的控制方式可分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。由于控制方式的不同，自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.1 控制系統(tǒng)概述4.1.3 控制類型從不同的角度出發(fā)，自動控制系統(tǒng)的類型可以有很多，如下:按照系統(tǒng)的輸出量和輸入量之間的關(guān)系可將系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；按照系統(tǒng)傳輸信號與時間的關(guān)系可將系統(tǒng)分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；按照輸入量的變化規(guī)律可將系統(tǒng)分為恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)；按照系統(tǒng)參數(shù)對時間的變化情況可將系統(tǒng)分為定常系統(tǒng)和

4、不確定性系統(tǒng)。機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.1 控制系統(tǒng)概述4.1.4 控制目標(biāo)控制系統(tǒng)最終目標(biāo)是使系統(tǒng)通過控制達到某些預(yù)期的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)從工程上常常通過穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面體現(xiàn)。穩(wěn)：穩(wěn)定性系統(tǒng)能工作的首要條件；當(dāng)擾動作用或給定值發(fā)生變化時，輸出量將偏離原來的平衡狀態(tài)，若干擾消失，系統(tǒng)回到或接近原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的?？欤嚎焖傩杂孟到y(tǒng)在暫態(tài)過程中的響應(yīng)速度和被控量的波動程度描述；準(zhǔn)：準(zhǔn)確性用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2

5、常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述 當(dāng)傳遞函數(shù)的分子或分母由若干個多項式乘積表示時，可使用conv( )函數(shù)機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述P = -5 -3 -2 -1G = 3 (s

6、+1.537) (s2 + 5.462s + 15.33) - (s+5) (s+3) (s+2) (s+1)Continuous-time zero/pole/gain model.機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述4.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖結(jié)果顯示：G = a = x1

7、x2 x3 x4 x1 2 4 0 0 x2 -1 -3 3 4 x3 0 0 3 2 x4 0 0 -5 4 b = u1 x1 0 x2 1 x3 1 x4 0 c = x1 x2 x3 x4 y1 2 5 6 8 d = u1 y1 2Continuous-time state-space model.機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHI

8、NA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述4.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖6.根據(jù)框圖任意連接利用connect( )函數(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)的方框圖按任意方式求取系統(tǒng)模型，其函數(shù)調(diào)用格式為：A1,B1,C1,D1=connect(A,B,C,D,Q,inputs,outputs)7.化簡系統(tǒng) 在MATLAB中使用ssselect( ) 函數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)指定的輸入和輸出產(chǎn)生一個子系統(tǒng)，其函數(shù)調(diào)用格式為

9、A1,B1,C1,D1=ssselect(A,B,C,D ,inputs,outputs)或 A1,B1,C1,D1=ssselect(A,B,C,D ,inputs,outputs,states)機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.2 常用數(shù)學(xué)模型及MATLAB描述機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換P = -0.9567 + 1.2272i

10、 -0.9567 - 1.2272i -0.0433 + 0.6412i -0.0433 - 0.6412iH = 機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換4.3.2 傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達式的相互轉(zhuǎn)換1.多項式形式與狀態(tài)空間表達式的相互轉(zhuǎn)換多項式形式 狀態(tài)空間表達式A,B,C,D=tf2ss(num,den)num,den=ss2tf(A,B,C,D,iu)機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換 b = u1 x1 1 x2 0 c = x1 x2 y1 2 3 y2 -1 0 d = u1

11、 y1 0 y2 1機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換4.3.2 傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達式的相互轉(zhuǎn)換1.多項式形式與狀態(tài)空間表達式的相互轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示：num1 = 0 1.0000 5.0000 6.0000 0 -1.0000 -6.0000 -9.0000den1 = 1 6 11 6num2 = 0 1.0000 3.0000 2.0000 0 -1.0000 -4.0000 -3.0000den2 = 1 6 11 6機械工業(yè)出版社CHINA

12、 MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換4.3.2 傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達式的相互轉(zhuǎn)換2. 狀態(tài)空間表達式與零極點形式的相互轉(zhuǎn)換狀態(tài)空間表達式 零極點形式Z,P,K=ss2zp(A,B,C,D,iu)A,B,C,D=zp2ss(Z,P,K)機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換4.3.2 傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達式的相互轉(zhuǎn)換2. 狀態(tài)空間表達式與零極點形式的相互轉(zhuǎn)換【例4-14】對于例4-13中給出的狀態(tài)空間表達式，試根據(jù)以上函數(shù)求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣。在MATLAB命令窗口中，利用下列MATLAB命令 A=0 0 1

13、;-3 -2 -1;-3 0 -4; B=1 1;-1 -1;-1 -3;C=1 0 0;0 1 0; D=zeros(2,2); Z1,P1,K1=ss2zp(A,B,C,D,1) Z2,P2,K2=ss2zp(A,B,C,D,2)結(jié)果顯示：Z1 = -2.0000 -3.0000 -3.0000 -3.0000P1 = -2 -1 -3K1 = 1.0000 -1.0000P2 = -2 -1 -3K2 = 1.0000 -1.0000Z2 = -1.0000 -1.0000 -2.0000 -3.0000機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換 b = u1 x1 1 x2 1 x3 0 c = x1 x2 x3 y1 0 0 1.897 d = u1 y1 0機械工業(yè)出版社CHINA MACHINE PRESS4.3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換4.3.3