控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計-MATLAB語言和應(yīng)用

第1

章

控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計概述

薛定宇著《控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計—MATLAB語言與應(yīng)用》第二版，清華大學(xué)出版社2006CAI課件開發(fā)：鄂大志、薛定宇12/26/20241控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院本章主要內(nèi)容控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展綜述控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計語言環(huán)境綜述仿真軟件的發(fā)展概況MATLAB/Simulink與CACSD工具箱控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域的新方法本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容12/26/20242控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.1控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計

技術(shù)的發(fā)展綜述早期的控制系統(tǒng)設(shè)計可以由紙筆等工具容易地計算出來，如Ziegler與Nichols于1942年提出的PID經(jīng)驗公式就可以十分容易地設(shè)計出來。隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之在計算機(jī)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計(computer-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。12/26/20243控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用

控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。早在1982年12月和1984年12月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國際上最權(quán)威的IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會的控制系統(tǒng)雜志(ControlSystemsMagazine)和IEEE學(xué)會的科研報告集(ProceedingsofIEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？陙恚S著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CACSD軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB語言出現(xiàn)以來，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計算機(jī)語言，成為控制界學(xué)者的首選。12/26/20244控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用

MATLAB作為主要程序設(shè)計語言來介紹控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費在沒有太大價值的底層重復(fù)性機(jī)械性勞動上，這樣可以對控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認(rèn)識偏差，提高控制器設(shè)計的效率和可靠性。12/26/20245控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用子曰:“工欲善其事，必先利其器”。跟蹤國際最先進(jìn)的CACSD軟件環(huán)境及發(fā)展，以當(dāng)前國際上最流行的CACSD軟件環(huán)境MATLAB為基本出發(fā)點來系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)及軟件實現(xiàn)，從而大大提高CACSD算法研究與實際應(yīng)用的效率和可靠性，這是本書的一個主要目的。12/26/20246控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.2控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助

設(shè)計語言環(huán)境綜述20世紀(jì)70年代：1973年美國學(xué)者M(jìn)elsa

教授和Jones博士出版了一本專著，書中給出了許多當(dāng)時流行的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助分析與設(shè)計的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應(yīng)、時間響應(yīng)、以及各種控制系統(tǒng)設(shè)計的子程序如：Luenberger

觀測器、Kalman

濾波等。12/26/20247控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用瑞典Lund工學(xué)院教授主持開發(fā)的一套交互式CACSD軟件INTRAC日本的古田勝久(Katsuhisa

Furuta)教授主持開發(fā)的DPACS-F軟件等。1980年美國學(xué)者CleveMoler

等人推出的交互式MATLAB語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視圖形交互式的模型輸入計算機(jī)仿真環(huán)境Simulink

的出現(xiàn)為MATLAB應(yīng)用的進(jìn)一步推廣起到了積極性的推動作用。12/26/20248控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用國際上控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的發(fā)展大致分為幾個階段：軟件包階段、交互式語言階段及當(dāng)前的面向?qū)ο蟮某绦颦h(huán)境階段這些軟件包大都是由FORTRAN語言編寫的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和MATLAB相比，調(diào)用方法和使用明顯顯得麻煩、不便?，F(xiàn)在，MATLAB已經(jīng)風(fēng)靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域最普及也是最受歡迎的首選計算機(jī)語言。12/26/20249控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用20世紀(jì)70年代末期和80年代初期出現(xiàn)了很多實用的具有良好人機(jī)交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的INTRAC和CTRL-C等。正因為存在多種多樣的CACSD軟件，而它們之間又各有所長，所以在CACSD技術(shù)的發(fā)展過程中曾有過幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。此外，以前FORTRAN語言繪圖并不是輕而易舉的事情，這就需要再調(diào)用相應(yīng)的軟件包來做進(jìn)一步處理。12/26/202410控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院依作者之見，這些集成出來的軟件并不是很成功的，因為它們并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。事實上，從那以后每個軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB語言有了自己的仿真功能，Simulink

從某種意義上來講其功能和接口更優(yōu)于ACSL,MATLAB和Mathematica

之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢可以得到充分地互補(bǔ)。12/26/202411控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用我國較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計算機(jī)輔助設(shè)計成果是中科院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員等主持的國家自然科學(xué)基金重大項目開發(fā)的CADCSC軟件。清華大學(xué)孫增圻、袁曾任教授的著作和程序。以及北京化工學(xué)院吳重光、沈成林教授的著作和程序等。12/26/202412控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.3仿真軟件的發(fā)展概況仿真技術(shù)引起該領(lǐng)域各國學(xué)者、專家們的重視，建立起國際的仿真委員會(SimulationCouncilsInc.，Sci)，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。仿真語言CSMP(computersimulation

modellingprogram)應(yīng)該屬于建立在該標(biāo)準(zhǔn)上的最早的專用仿真語言。中科院沈陽自動化研究所在1988年推出了該語言的推廣版本CSMP-C。12/26/202413控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用系統(tǒng)仿真領(lǐng)域有很多自己的特性，如果能選擇一種能反映當(dāng)今系統(tǒng)仿真領(lǐng)域最高水平，也是最實用的軟件或語言介紹仿真技術(shù)，使得讀者能直接采用該語言解決自己的問題，將是很有意義的。實踐證明，MATLAB就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經(jīng)使得它成為自動控制、航空航天、汽車設(shè)計等諸多領(lǐng)域仿真的首選語言。所以在本書中將介紹基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計方法及其應(yīng)用。12/26/202414控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.4MATLAB/Simulink

與CACSD工具箱早期的MATLAB的功能十分簡單，當(dāng)它作為免費軟件出現(xiàn)以來，還是吸引了大批的使用者。CleveMoler

和JohnLittle等人于1984年成立了一個名為TheMathWorks

的公司TheMathWorks

公司于1992年推出了具有劃時代意義的MATLAB4.0版本。12/26/202415控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB目前已經(jīng)成為控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具。此外，控制界很多學(xué)者將自己擅長的CAD方法用MATLAB加以實現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的MATLAB配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設(shè)計工具箱、μ分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、以及仿真環(huán)境Simulink。12/26/202416控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用早期的CACSD研究側(cè)重于對控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助分析上，開始時人們利用計算機(jī)的強(qiáng)大功能把系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線繪制出來，并根據(jù)頻率響應(yīng)的曲線及自己的控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗用試湊的方法設(shè)計一個控制器，然后利用仿真的方法去觀察設(shè)計的效果。1.5控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計

領(lǐng)域的新方法12/26/202417控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用除了經(jīng)典的多變量頻域方法之外，還出現(xiàn)了一些基于最優(yōu)化技術(shù)的控制方法，其中比較著名的是英國學(xué)者JohnEdmunds提出的多變量參數(shù)最優(yōu)化控制方法和英國學(xué)者Zakian

提出的不等式控制方法等。與此同時，美國學(xué)者似乎更習(xí)慣于狀態(tài)空間的表示與設(shè)計方法。此方法往往又稱為時域方法(time-domain)，首先在線性二次型指標(biāo)下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預(yù)下(如人工選擇加權(quán)矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)觀測器新的控制概念。12/26/202418控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現(xiàn)了各種各樣的控制方法，如各種最優(yōu)控制的方案.隨著控制器的階次越來越高，還出現(xiàn)了很多的控制器降階方法來實現(xiàn)設(shè)計出的控制器。線性矩陣不等式(linearmatrixinequalities)及μ分析與綜合等控制系統(tǒng)設(shè)計方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過計算機(jī)這樣的現(xiàn)代化工具是不能完成的。12/26/202419控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用分?jǐn)?shù)階控制領(lǐng)域也出現(xiàn)了很多新的研究成果，是控制理論的一個較新的研究領(lǐng)域。教授和合作者對傳統(tǒng)的，也是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的PID控制器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了自整定PID控制器更加切合于過程控制的實際應(yīng)用。12/26/202420控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用

國際上出版了關(guān)于MATLAB及CACSD的專著和教材，但它們大都是MATLAB的入門教材，并沒有真正深入、系統(tǒng)地探討CACSD技術(shù)及MATLAB實現(xiàn)，將MATLAB的強(qiáng)大功能與控制領(lǐng)域成果有機(jī)結(jié)合是本書力圖解決的主要問題。12/26/202421控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用第1章對國際上最流行的一些CACSD專用軟件作簡要的介紹，闡釋了為什么應(yīng)該采用MATLAB作為主要計算機(jī)語言的原因。第2章系統(tǒng)地介紹MATLAB編程的基礎(chǔ)。1.6本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容12/26/202422控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用第3章介紹在MATLAB環(huán)境中如何表示各種各樣的線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。第4章介紹線性控制系統(tǒng)的基本分析方法。第5章介紹基于Simulink

的非線性系統(tǒng)建模方法與技巧。第6章介紹各種經(jīng)典的控制系統(tǒng)設(shè)計方法。12/26/202423控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用第7章介紹各類系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計方法。第8章介紹自適應(yīng)控制與智能控制系統(tǒng)的建模、仿真與設(shè)計問題。第9章基于dSPACE

和Quanser

軟硬件系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的辦實物仿真及實時控制方法，為控制理論及方法的工程應(yīng)用打好基礎(chǔ)。12/26/202424控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用本課程的互