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MATLAB语言与控制系统仿真通过本课程的学习,掌握MATLAB语言的基本知识,结合所学课程《自动控制原理》,学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能,为今后从事科学研究打下较好的基础。课程目的:本课程是自动化专业课,是利用计算机来论证、分析、研究、设计各种复杂控制系统的有力工具,是控制系统工程技术人员必须掌握的一门专业技术。控制系统MATLAB连续系统数学模型仿真方法参数优化基于频率域时间域的控制系统的分析数值计算符号计算图形处理SIMULINK工具箱绪论1.1控制系统的分析方法1.2仿真实验的分类与性能比较1.3系统、模型与数字仿真1.4仿真软件的发展1.5仿真技术的应用与发展1.6Matlab简介1.7Simulink简介利用实验的方法对控制系统进行分析与设计,有三种方法:解析法、实验法、仿真实验法。受到理论不完善的影响以及对事物认识的不全面等因素的影响,往往有很大的局限性。(1)解析法运用已掌握的理论知识,对所研究的对象进行理论方面的分析、计算及综合。工程动力学问题F=ma(2)实验法在所建立的实际系统(或模型)上,利用各种仪器仪表,通过施加一定类型的激励信号,测取系统响应来确定系统的性能。简单、直观、真实费用过高、具有危险性、周期长、有时还可能根本无法实验。(3)仿真实验法为什么要进行仿真?在实际生产过程中,大部分控制对象比较复杂,现场实验造价高、周期长、充满危险或难于实现,如导弹飞行、飞行器控制、核反应堆控制等等。就需要对实际系统构建物理或数学模型,再把研究结果应用到实际系统中去。什么是仿真?仿真就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究。仿真所遵循的基本原则是相似性原理,即几何相似、环境相似和性能相似。几何相似环境相似性能相似(3)仿真实验法二阶系统的单位阶跃响应数学模型当输入量)(1)(ttrSSR1)(输出量SSSSXSGSXnnnio12)()()(222拉氏反变换得]12[)]([)(22211SSSLsXLtXnnnoo则根据阻尼比的不同取值来分析二阶系统的单位阶跃响应。01234567891000.20.40.60.811.21.41.61.82PlotofUnit-StepResponseCurveswithn=1and=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1t(sec)Response=00.20.40.60.81.0二阶系统的单位阶跃响应1.欠阻尼状态2.临界阻尼状态3.过阻尼状态4.无阻尼状态)10()1()1()0(二阶系统一般设计为0.4-0.8的欠阻尼状态024681000.20.40.60.8100.511.52tsecThree-dimensionalPlotofUnit-StepResponseCurvesResponse单位阶跃响应曲线的三维图虚拟模型(3)仿真实验法实物模型(3)仿真实验法(3)仿真实验法仿真实验性能比较:数学模型虚拟模型实物模型实物原型仿真精度低高根据仿真原理物理仿真数字仿真应用几何相似原理,制作与实际系统相似但几何尺寸较小的物理模型进行实验研究应用数学相似原理,构成数学模型在计算机上进行仿真实验研究。效果逼真,精度高,可信度高投资大、周期长、灵活性差周期短,经济、快速、实用1.2仿真实验的分类与性能比较系统模型计算机建立仿真模型建立数学模型仿真实验结果分析系统:研究的对象,可分为连续系统、离散系统和混合系统如锅炉温度调节系统等;模型:对实际系统的抽象(重要),可分为物理模型、数学模型和描述模型;计算机:工具与手段。1.3系统、模型与数字仿真仿真三要素数字仿真的基本过程:建模仿真试验结果分析问题的阐述设置目标建立数学模型仿真实验设计编程序验证正确与否确认运行分析输出结果是是否否建立仿真模型程序编制阶段(Basic,Fortran,C)程序软件包阶段(仿真语言)交互式语言阶段(SIMON,CSMP,ACSL,TSIM,ESL;1984MATLAB)模型化图形组态阶段(1992Simulink)MATLAB——高级的科学分析与计算软件。SIMULINK——基于模型化图形组态的控制系统仿真软件。使复杂的控制系统仿真变得直观容易。1.4仿真软件的发展(一)应用航空与航天工业飞行器设计或模拟飞行实验。电力工业电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制等、电站操作人员培训模拟系统。石油、化工及冶金工业化工流程模拟核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。非工程领域医学社会学宏观经济与商业策略的研究概念设计控制工程师机械工程师设计设计虚拟验证虚拟试验物理样机1.5仿真技术的应用(二)意义经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的,如:空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右,而采用仿真实验仅需其成本的1/10~1/5,而且设备可以重复使用。安全某些系统(如载人飞行器、核电装置等),直接实验往往会有很大的危险,甚至是不允许的,而采用仿真实验可以有效降低危险程度,对系统的研究起到保障作用。快捷提高设计效率:比如电路设计,服装设计等等。具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的,这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。MATLAB是美国MathWorks公司的软件品,是一个高级的数值分析、处理的计算软件;1.6Matlab简介(一)Matlab发展历程1984年,MATLAB第1版(DOS版)1992年,MATLAB4.0版1994年,MATLAB4.2版1997年,MATLAB5.0版1999年,MATLAB5.3版2000年,MATLAB6.0版2001年,MATLAB6.1版2002年,MATLAB6.5版2004年,MATLAB7.0版…现在是MATLAB8.0,常用的是MATLAB7.16.1(二)Matlab的特点1.具有强大的矩阵运算能力:MatrixLaboratory(矩阵实验室)(二)Matlab的特点2.是一种演算式语言(二)Matlab的特点3.高级但简单的程序环境function[num1,num2,num3]=test3(varargin)globalfirstlevelsecondlevelnum1=0;num2=0;num3=0;list=zeros(nargin);fori=1:narginlist(i)=sum(varargin{i}(:));list(i)=list(i)/length(varargin{i});iflist(i)firstlevelnum1=num1+1;elseiflist(i)secondlevelnum2=num2+1;elsenum3=num3+1;endend(二)Matlab的特点4.功能强大的工具箱30多个工具箱:1)通讯工具箱2)控制系统工具箱连续系统设计和离散系统设计*状态空间和传递函数*模型转换*频域响应:Bode图、Nyquist图、Nichols图*时域响应:冲击响应、阶跃响应、斜波响应等*根轨迹、极点配置、LQG3)财政金融工具箱4)频率域系统辨识工具箱5)模糊逻辑工具箱6)高阶谱分析工具箱7)图像处理工具箱8)线性矩阵不等式控制工具箱9)模型预测控制工具箱10)u分析与综合工具箱11)神经网络工具箱12)优化工具箱13)偏微分方程工具箱14)鲁棒控制工具箱15)信号处理工具箱16)样条工具箱17)统计工具箱18)符号数学工具箱19)系统辨识工具箱20)小波工具箱(三)Matlab的特点5.图形功能强大MATLAB的缺点是,它和其他高级程序相比,程序的执行速度较慢。024681012141618010020002468101214161800.20.4-4-2024-4-2024010203040(四)Matlab的组成MATLAB开发环境指的是方面用户使用的函数和文件的工具集。MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法,从基本运算到复杂算法(如矩阵运算)MATLAB语言高级的基于矩阵和数组的语言,它有程序流控制、函数、数据结构、输入输出和面向对象编程等特色。MATLAB图形处理包括强力的二维、三维图形函数、图像处理和动画显示等函数。MATLAB应用编程接口(API)可以与c、Fortran等其他高级语言进行交互的函数库。(五)Matlab的界面启动MATIAB6.x后,显示的窗口如图所示。命令窗口工作空间窗口当前目录浏览交互界面分类历史命令窗口+命令窗口(CommandWindow)–工作空间=空白的工作簿–“”提示符之后的空间称为命令行。表示MATLAB正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键后,MATLAB就会解释执行所输入的命令,并在命令后面给出计算结果。–可键入各种送给MATLAB运作的指令、函数、表达式,并显示除图形外的所有运算结果。历史命令窗口(CommandHistory)该窗口记录已经运作过的指令、函数、表达式;允许用户对它们进行选择、重运行,以及产生M文件。。+当前目录浏览窗口(CurrentDirectoryBrowser)–在该交互界面中,可以进行当前目录的设置;展示相应目录上的M、MDL等文件;复制、编辑、和运行M文件;装载MAT数据文件。+工作空间浏览窗口(WorkspaceBrowser)–罗列出MATLAB工作空间中所有的变量名、大小、字节数。在该窗口中,可对变量进行观察、编辑、提取和保存。+交互界面分类目录窗口(LaunchPad)–该窗口罗列出MATLAB提供的所有交互界面,包括:帮助界面、演示界面、各种应用交互界面。SIMULINK是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件,是MATLAB的一个工具箱。它与MATLAB语言的主要区别在于,其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入,其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建,而非语言的编程上。1.7Simulink简介SIMULINK使得复杂的控制系统仿真变得直观容易[例]如图高阶PID控制系统245035102424723423ssssssssKsKKdipR(s)Y(t)全部鼠标点击操作,从模型生成、参数设定到仿真结果的产生不过几分钟时间。
本文标题:控制系统仿真及MATLAB语言概述.
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