控制工程基礎(chǔ)實驗

1、控制工程基礎(chǔ)實驗1MATLAB在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中的應(yīng)用第一節(jié) MATLAB語言簡介第二節(jié) MATLAB的數(shù)學(xué)工具功能第三節(jié) 用MATLAB處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型第四節(jié) MATLAB用于時域分析第五節(jié) MATLAB用于頻域分析第六節(jié) Simulink建模及動態(tài)仿真小結(jié)2第一節(jié) 語言簡介一、的運行環(huán)境二、的幫助系統(tǒng)三、的運算與簡單編程3 是一種解釋性語言，用戶既可以在環(huán)境下鍵入一個命令，也可以用編寫應(yīng)用程序，由負(fù)責(zé)解釋、運行并給出結(jié)果。在環(huán)境下啟動以后，就可打開一個環(huán)境的窗口，如圖-所示。4一、的運行環(huán)境 在大多數(shù)系統(tǒng)中，一旦安裝了，則可進入運行窗口環(huán)境。提供了兩種運行方式，即命令行方式和文件方式。

2、.命令行運行方式 可以通過直接在命令窗口中輸入命令來實現(xiàn)計算或作圖功能。一般命令格式如下：輸出參數(shù)，輸出參數(shù)，命令名（輸入?yún)?shù)，輸入?yún)?shù)，）輸出參數(shù)使用方括號，而輸入?yún)?shù)使用圓括號。如果輸出量僅一個，可不使用括號。.文件運行方式 也可以執(zhí)行存儲在文件中的程序。只要該文件滿足兩個條件：其一，程序駐存的文件必須在當(dāng)前目錄下；其二，該文件必須有的擴展名。通常使用任何可以生成碼文件的文本編輯器都可以生成文件。有兩種形式的文件：程序文件與函數(shù)文件。在窗口中單擊菜單，然后依次選擇，打開文件編輯及運行窗口，可以在該窗口中編輯程序文件，進行調(diào)試和運行。與命令行方式相比，文件方式的優(yōu)點是可調(diào)試，方便修改，可重復(fù)

3、應(yīng)用。5二、的幫助系統(tǒng) 語言為用戶準(zhǔn)備了使用方便、信息豐富的聯(lián)機幫助系統(tǒng)。用戶可以使用下述幾種方法得到幫助信息：命令行幫助、聯(lián)機幫助和演示幫助等。充分利用其幫助系統(tǒng)，可以更快、更準(zhǔn)確地掌握的使用方法。.命令行幫助 利用命令可以獲得命令行幫助。例如，在命令窗口輸入命令 將顯示系統(tǒng)的幫助信息，可以得到的基本命令及與其相關(guān)的工具箱的名稱和功能。如果在命令后面添加工具箱名或命令名，則可顯示對應(yīng)的功能信息。例如，在命令行中鍵入 將獲得階躍響應(yīng)函數(shù)命令的功能和參數(shù)說明。6聯(lián)機幫助 在界面中單擊工具條上的問號按鈕或單擊“”菜單中的“”選項，可以打開聯(lián)機幫助界面，在界面左邊的目錄欄中單擊項目名稱或圖標(biāo)，將在右

4、側(cè)的窗口中顯示相應(yīng)的幫助信息。演示幫助 在的命令窗口中鍵入“”，或者單擊菜單中的“”選項，可以打開演示窗口。該演示窗口包含了各種的應(yīng)用范例，具有很好的學(xué)習(xí)指導(dǎo)性。建議在使用之前，首先使用命令學(xué)習(xí)的范例。這將有助于正確地使用該軟件。7三、的運算與簡單編程.向量與矩陣 在環(huán)境下，輸入一個行向量很簡單，只需使用方括號，并且每個元素之間用空格或逗號隔開即可。列向量的輸入只需在行向量的輸入格式基礎(chǔ)上再加一個轉(zhuǎn)置符號。8.基本編程 不僅是一個功能強大的工具軟件，更是一種有效的編程語言。語言基本上是解釋型語言，另外借助于編譯工具，也可以將其編譯后執(zhí)行。語言的變量描述和語句描述極為簡單，不僅大部分與其他計算機

5、語言相似，而且?guī)缀鯖]有什么格式上的約束，學(xué)習(xí)起來非常容易。而且，由命令和函數(shù)組合而成的程序，可以成為功能更強的函數(shù)，這些新函數(shù)又可以加入到命令中，進一步增強的功能。（）圖 如果和是同一長度的向量，則命令（，）（）加進網(wǎng)格線、圖形標(biāo)題、軸標(biāo)記和軸標(biāo)記 一旦在屏幕上出現(xiàn)圖形，就可以畫出網(wǎng)格線，定出圖形標(biāo)題，并且標(biāo)定軸標(biāo)記和軸標(biāo)記。中關(guān)于網(wǎng)格線、標(biāo)題、軸標(biāo)記和軸標(biāo)記的命令如下：9 （）在圖形屏幕上書寫文本 為了在圖形屏幕的點（，）上書寫文本，采用命令：10 （）圖形類型和顏色 在使用命令繪圖時，可以加上表示線型、點的類型或者顏色的標(biāo)記，來區(qū)分多條曲線。能夠提供的線和點的類型見表-。11 （）自動繪圖

6、算法 在中，圖形是自動定標(biāo)的。在另一幅圖形畫出之前，這幅圖形作為現(xiàn)行圖形保持不變，但是在另一幅圖形畫出后，原圖形將被刪除，坐標(biāo)軸自動地重新定標(biāo)。關(guān)于瞬態(tài)響應(yīng)曲線、根軌跡、伯德圖、奈奎斯特圖等的自動繪圖算法已經(jīng)設(shè)計出來，它們對于各類系統(tǒng)具有廣泛的適用性，但是并非總是理想的。因此，在某些情況下，可能需要放棄繪圖命令中的自動坐標(biāo)軸定標(biāo)特性，改用手工選擇繪圖范圍。 （）手工坐標(biāo)軸定標(biāo) 如果需要在下列語句指定的范圍內(nèi)繪制曲線：12第二節(jié) MATLAB的數(shù)學(xué)工具功能一、拉氏變換和拉氏反變換二、變換和反變換三、多項式運算四、微分方程求解五、差分方程求解13第二節(jié) MATLAB的數(shù)學(xué)工具功能一、拉氏變換和拉氏

7、反變換14二、變換和反變換 符號數(shù)學(xué)工具箱中的函數(shù)和分別用于求符號表達(dá)式的變換和反變換。求函數(shù)的變換可用 （）。例- 求單位斜坡函數(shù)（）的變換。15三、多項式運算1617四、微分方程求解18五、差分方程求解19第三節(jié) 用MATLAB處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一、傳遞函數(shù)模型（TransferFunction，簡稱）二、零極點模型（Zero Pole，簡稱）三、狀態(tài)空間模型（SateSpace，簡稱）四、模型的轉(zhuǎn)換五、系統(tǒng)模型的串、并與反饋連接20一、傳遞函數(shù)模型（TransferFunction，簡稱）21二、零極點模型（Zero Pole，簡稱）22三、狀態(tài)空間模型（SateSpace，簡稱）23四、

8、模型的轉(zhuǎn)換24五、系統(tǒng)模型的串、并與反饋連接 在控制系統(tǒng)工具箱中，有幾個關(guān)于系統(tǒng)連接的函數(shù)，可以用來靈活地處理控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型問題。 可用函數(shù)（，）來實現(xiàn)圖-所示的系統(tǒng)或環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖的串聯(lián)，求得串聯(lián)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 可用函數(shù)（，）來實現(xiàn)圖-所示的系統(tǒng)或環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖的并聯(lián)，求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。2526第四節(jié) MATLAB用于時域分析272829303132結(jié)果如圖-所示。33（）求單位階躍響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)誤差34（）求單位斜坡響應(yīng)及其穩(wěn)態(tài)誤差35 例- 如圖-所示的單閉環(huán)有差系統(tǒng)，求取不同的比例調(diào)節(jié)器參數(shù)時，得到的系統(tǒng)階躍響應(yīng)。36第五節(jié) MATLAB用于根軌跡分析一、根軌跡繪制二、根軌跡分析37一、根

9、軌跡繪制3839二、根軌跡分析 在系統(tǒng)的分析過程中，常常希望確定根軌跡上某一點的開環(huán)增益值和其他參數(shù)值，可以通過兩種方法實現(xiàn)。 ）繪制出根軌跡曲線，單擊曲線上的任意一點，即可以方框的形式顯示該點處的增益值（）、極點（）、阻尼比（）、超調(diào)量（）、頻率（）等參數(shù)值。 ）在調(diào)用函數(shù)之后，調(diào)用函數(shù)，即，（，）； 運行該函數(shù)后，將在根軌跡圖形屏幕上生成一個十字光標(biāo)，同時在的命令窗口會出現(xiàn)“”，提示用戶選擇某一點。使用鼠標(biāo)，移動這個十字光標(biāo)到所希望的位置，單擊左鍵，在的命令窗口將會出現(xiàn)該點的數(shù)值。分別鍵入輸出參數(shù)和，將得到增益值以及對應(yīng)于該增益值的閉環(huán)極點4041第六節(jié) MATLAB用于頻域分析一、頻率特

10、性圖的繪制二、求相位裕量和幅值裕量42一、頻率特性圖的繪制.伯德圖繪制伯德圖可用函數(shù)434445464748二、求相位裕量和幅值裕量49第七節(jié) MATLAB用于系統(tǒng)校正與設(shè)計一、超前校正裝置的設(shè)計二、滯后校正裝置的設(shè)計三、調(diào)節(jié)器設(shè)計50一、超前校正裝置的設(shè)計 例- 設(shè)一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，要求系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，相位穩(wěn)定裕量，為滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，試用設(shè)計超前校正裝置。5152二、滯后校正裝置的設(shè)計 例- 試用對圖所示的系統(tǒng)設(shè)計滯后校正裝置。要求系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，相位穩(wěn)定裕量。535455三、調(diào)節(jié)器設(shè)計565758第八節(jié) MATLAB用于采樣控制系統(tǒng)一、數(shù)學(xué)模型處理二、動態(tài)響應(yīng)分析三、穩(wěn)定

11、性判定59一、數(shù)學(xué)模型處理.變換和反變換.模型轉(zhuǎn)換6061二、動態(tài)響應(yīng)分析.輸入函數(shù)6263.求輸出動態(tài)響應(yīng)設(shè)采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為6465三、穩(wěn)定性判定 利用可以很方便地對采樣控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性判別，主要方法是：判定系統(tǒng)的特征方程的根是否在平面的單位圓內(nèi)。66結(jié)果如圖-所示。該結(jié)果表示特征方程有兩個根在平面單位圓外，故系統(tǒng)為不穩(wěn)定。67第九節(jié) Simulink建模及動態(tài)仿真一、簡介二、運行仿真三、離散系統(tǒng)的仿真分析68一、簡介.啟動 進入環(huán)境后，在命令窗口中鍵入“”或在的工具條中單擊按鈕 ，可啟動如圖-所示的庫模塊瀏覽器，單擊窗口左上方的按鈕 ，會出現(xiàn)一個名為的空模型窗口，如圖所示?？?/p>

12、以在此窗口中創(chuàng)建模型。接下來，就可在的庫模塊中選擇所需的模塊，并將其拖曳到空模型窗口中，就可直接構(gòu)建系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并仿真。697071.模型基本結(jié)構(gòu)72737475二、運行仿真 在創(chuàng)建了模型后，有兩種方法可以運行仿真：使用窗口運行仿真和使用命令運行仿真。.使用窗口運行仿真76.使用命令運行仿真77三、離散系統(tǒng)的仿真分析 進入環(huán)境后，單擊（離散元件）庫，選擇相應(yīng)的離散函數(shù)模型，按照與連續(xù)系統(tǒng)模型相同的系數(shù)輸入方式來輸入?yún)?shù)，構(gòu)建離散系統(tǒng)模型，就可以實現(xiàn)離散系統(tǒng)的仿真分析。78小 結(jié)中的控制系統(tǒng)工具箱為控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計提供了強大的工具，因而在系統(tǒng)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。本章在對語言作簡單

13、介紹的基礎(chǔ)上，主要結(jié)合前面各章的內(nèi)容，介紹將及其應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)分析、設(shè)計與仿真中。（）的數(shù)學(xué)工具功能。符號運算工具箱中定義了自動控制原理中經(jīng)常用到的積分變換，如拉氏變換、變換及其反變換的專用函數(shù)，即、。同時還可以求解微分方程和差分方程。（）處理系統(tǒng)模型。利用、等函數(shù)可對線性定常系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的幾種表述形式進行適當(dāng)?shù)奶幚砗娃D(zhuǎn)換；運用、等函數(shù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)模型的連接。79（）用于系統(tǒng)時域分析。利用、等函數(shù)可完成系統(tǒng)輸出響應(yīng)分析，同時結(jié)合部分常用數(shù)據(jù)分析和處理函數(shù)可以實現(xiàn)穩(wěn)定性分析以及穩(wěn)態(tài)誤差分析等工作。（）用于根軌跡分析。利用、函數(shù)可完成根軌跡繪制、部分分式展開以及根軌跡分析等工作。（）用于頻域分析。利用、函數(shù)可以畫出頻率特性的伯德圖和乃氏圖的精確圖形，用函數(shù)可方便地求取穩(wěn)定裕量。將大大有助于對系統(tǒng)的分析和設(shè)計。（）用于系統(tǒng)校正和分析。根據(jù)幾種校正裝置的設(shè)計思想，運用語言編程的方法，可以設(shè)計