matlab教程chapter1

2020/1/10广东工业大学自动化学院12020/1/10广东工业大学自动化学院2系统仿真与Matlab李顺祥Tel：13602450268Mail：[e-mail]:123617722020/1/103控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用仿真系统仿真基本概念仿真：利用仿真模型代替实际系统进行实验与研究的方法仿真模型：对所研究的对象某些方面进行抽象概括的装置仿真原则：相似性原则物理仿真；数学仿真仿真分类：2020/1/104控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用数学仿真数学仿真分类：模拟仿真与数字仿真数学仿真要素：系统——研究的对象模型——系统的抽象计算机——工具与手段2020/1/105控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用系统模型计算机建立数学模型建立仿真模型仿真实验结果分析2020/1/106控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用数学仿真过程：辨识实际系统的数学模型建立仿真模型编制仿真程序仿真实验验证是否正确是否返回2020/1/107控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用仿真软件的发展1、程序编程阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。2、程序软件包阶段出现了“应用子程序库”。3、交互式语言阶段（仿真语言）仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。4、模型化图形组态阶段：符合设计人员对基于模型图形化的描述。数字仿真软件2020/1/108控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用仿真技术的应用与发展一、仿真技术在工程中的应用1、航空与航天工业飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。2、电力工业电力系统动态模型实验：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。2020/1/109控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用3、原子能工业模拟核反应堆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。4、石油、化工及冶金工业5、非工程领域医学社会学宏观经济与商业策略的研究2020/1/1010控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用应用仿真技术的意义1、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。2、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。2020/1/1011控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用3、快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、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。在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。2020/1/1012控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用小结仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。系统模型可以分为物理模型、数学模型及仿真模型，据此可将仿真分为物理仿真和数学仿真两大类。系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素，建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。MATLAB与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件。2020/1/10广东工业大学自动化学院13第1章控制系统计算机辅助设计概述薛定宇著《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用》第二版，清华大学出版社20062020/1/1014控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用本章主要内容控制系统计算机辅助设计技术的发展综述控制系统计算机辅助设计语言环境综述仿真软件的发展概况MATLAB/Simulink与CACSD工具箱控制系统计算机辅助设计领域的新方法本书的基本结构和内容2020/1/1015控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.1控制系统计算机辅助设计技术的发展综述早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如Ziegler与Nichols于1942年提出的PID经验公式就可以十分容易地设计出来。随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计(computer-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。2020/1/1016控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。早在1982年12月和1984年12月，控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(ControlSystemsMagazine)和IEEE学会的科研报告集(ProceedingsofIEEE)分别第一次出版了关于CACSD的专刊近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD软件频繁出现且种类繁多，MATLAB语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。2020/1/1017控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用MATLAB作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅助设计的算法，可以使读者将主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解，避免“只见树木，不见森林”的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。2020/1/1018控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用子曰:“工欲善其事，必先利其器”。跟踪国际最先进的CACSD软件环境及发展，以当前国际上最流行的CACSD软件环境MATLAB为基本出发点来系统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实现，从而大大提高CACSD算法研究与实际应用的效率和可靠性，这是本书的一个主要目的。2020/1/1019控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.2控制系统计算机辅助设计语言环境综述20世纪70年代：1973年美国学者Melsa教授和Jones博士出版了一本专著，书中给出了许多当时流行的控制系统计算机辅助分析与设计的源程序,包括求取系统的根轨迹、频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序如：Luenberger观测器、Kalman滤波等。2020/1/1020控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用瑞典Lund工学院教授主持开发的一套交互式CACSD软件INTRAC日本的古田胜久(KatsuhisaFuruta)教授主持开发的DPACS-F软件等。1980年美国学者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视图形交互式的模型输入计算机仿真环境Simulink的出现为MATLAB应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。2020/1/1021控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段这些软件包大都是由FORTRAN语言编写的源程序组成的，给使用者提供了较好的接口，但和MATLAB相比，调用方法和使用明显显得麻烦、不便。现在，MATLAB已经风靡了全世界，成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言。2020/1/10广东工业大学自动化学院2220世纪70年代末期和80年代初期出现了很多实用的具有良好人机交互功能的软件，如：MATLAB、前面提及的INTRAC和CTRL-C等。正因为存在多种多样的CACSD软件，而它们之间又各有所长，所以在CACSD技术的发展过程中曾有过几次将若干常用软件集成在一起的尝试。此外，以前FORTRAN语言绘图并不是轻而易举的事情，这就需要再调用相应的软件包来做进一步处理。2020/1/1023控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用依作者之见，这些集成出来的软件并不是很成功的，因为它们并没有达到预期的效果。事实上，从那以后每个软件的功能都有了明显的改善，MATLAB语言有了自己的仿真功能，Simulink从某种意义上来讲其功能和接口更优于ACSL,MATLAB和Mathematica之间也有了较好的接口，它们的优势可以得到充分地互补。2020/1/1024控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSC软件。清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序。以及北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和程序等。2020/1/1025控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.3仿真软件的发展概况仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视，建立起国际的仿真委员会(SimulationCouncilsInc.，Sci)，该公司于1967年通过了仿真语言规范。仿真语言CSMP(computersimulationmodellingprogram)应该属于建立在该标准上的最早的专用仿真语言。中科院沈阳自动化研究所在1988年推出了该语言的推广版本CSMP-C。2020/1/1026控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用系统仿真领域有很多自己的特性，如果能选择一种能反映当今系统仿真领域最高水平，也是最实用的软件或语言介绍仿真技术，使得读者能直接采用该语言解决自己的问题，将是很有意义的。实践证明，MATLAB就是这样的仿真软件，由于它本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。所以在本书中将介绍基于MATLAB/Simulink的控制系统仿真与设计方法及其应用。2020/1/1027控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.4MATLAB/Simulink与CACSD工具箱早期的MATLAB的功能十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。CleveMoler和JohnLittle等人于1984年成立了一个名为TheMathWorks的公司TheMathWorks公司于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版本。2020/1/1028控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用MATLAB目前已经成为控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的Windows编程等便利工具。此外，控制界很多学者将自己擅长的CAD方法用MATLAB加以实现，出现了大量的MATLAB配套工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、µ分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境Simulink。2020/1/1029控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用早期的CACSD研究侧重于对控制系统的计算机辅助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响应的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察设计的效果。1.5控制系统计算机辅