第9章 基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计(09.11)

控制系统数字仿真新疆大学电气工程学院陈华控制系统数字仿真2020年9月20日2课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计内容介绍9.1控制系统工具箱简介9.2线性时不变系统的对象模型9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignTool9.5非线性控制系统设计控制系统数字仿真2020年9月20日3课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.1控制系统工具箱简介MATLAB的控制系统工具箱，主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题。该工具箱对控制系统，尤其是线性时不变系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案。◈系统建模◈系统分析◈系统设计控制系统数字仿真2020年9月20日4课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.2线性时不变系统的对象模型在控制系统工具箱中，通过有关函数将线性时不变系统的各种模型描述封装成一个LTI对象。1.LTI对象tf对象zpk对象ss对象2.模型的建立和模型的转换3.LTI对象属性的存取和设置控制系统数字仿真2020年9月20日5课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer线性时不变系统浏览器－LTIViewer(LinearTime-Invariant)主要用来完成系统的分析与线性化处理。在对非线性系统的线性化分析时，LTIViewer是进行系统分析的最为直观的图形界面，它提供了极其丰富的功能，使得用户对系统的线性分析变得简单而直观。使用LTIViewer对系统进行分析前，必须将系统模型转换为LTI对象的三种形式（tf对象、zpk对象和ss对象）控制系统数字仿真2020年9月20日6课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer启动LTIViewer输入系统模型绘制系统不同的响应曲线改变系统响应曲线绘制布局系统时域与频域性能分析LTIViewer图形界面的高级控制使用LTIViewer进行非线性系统的线性分析控制系统数字仿真2020年9月20日7课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计使用SIMULINK中的线性时不变系统浏览器LTIViewer(LinearTime-Invariant)可以绘制不同的系统响应曲线。默认情况下，LTIViewer绘制系统在单位阶跃信号输入下的系统响应曲线（单位阶跃响应）。在LTIViewer图形绘制窗口中单击鼠标右键，选择弹出菜单PlotType下的子菜单，可以在LTIViewer图形绘制窗口中绘制不同的系统响应曲线，如：阶跃响应(Step)、脉冲响应(Impulse)、波特图(Bode)、波特图幅值(BodeMag)、奈奎斯特图(Nyquist)、尼科尔斯图(Nichols)、奇异值分析(Sigma)、零极点图(Pole/Zero)。9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer控制系统数字仿真2020年9月20日8课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer一、绘制系统的不同响应曲线用LTIViewer浏览器绘制各种系统响应曲线的步骤：1、在系统模型中，选择Tools菜单下的LinearAnalysis命令加入输入参考点InputPoint和输出参考点Outpurpoint。注意：输入参考点和输出参考点有可能与系统模型的系统输入与系统输出不相同，这取决于所要分析的系统或系统中的某一部分。控制系统数字仿真2020年9月20日9课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计2、选择LTIViewer窗口中Edit菜单下的Plotconfiguration命令对选择LTIViewer窗口的曲线绘制图形及布局进行选择。用户可以同时绘制6幅不同的响应曲线。3、设置系统模型的操作点（控制参数设置）。选择LTIViewer窗口中Simulink菜单下的SetOperatingPoint命令设置。对于不同的操作点，系统的响应可能大不相同，甚至造成系统的不稳定。9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer控制系统数字仿真2020年9月20日10课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer二、系统时域与频域性能分析使用LTIViewer不仅可以绘制系统的各种响应曲线，还可以从系统响应曲线中获得系统响应信息：1、单击曲线上任一点，可以获得动态系统在此时此刻的所有信息，包括所对应的系统运行时刻（Time）、系统输入值（Amplitude）等信息。控制系统数字仿真2020年9月20日11课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer2、在LTIViewer图形绘制窗口中单击鼠标右键，选择弹出菜单Characteristics下的子菜单，可以在图形上获得系统不同响应的特性参数，对于不同的系统响应类型，Characteristics下的子菜单的内容也不相同。如阶跃响应的特性参数为：PeakResponse（响应峰值）SettingTime（稳定时刻）RiseTime（上升时间）SteadyState（稳定状态）控制系统数字仿真2020年9月20日12课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer三、LTIViewer图形界面的控制对LTIViewer图形窗口的控制有两种方式：1、对整个浏览器窗口Viewer进行控制：单击LTIViewer窗口Edit菜单下的ViewerPreferences命令对浏览器进行设置（设置的作用范围为LTIViewer窗口以及所有系统响应曲线绘制区域）。对话框中有以下选项：（1）Units：设置图形显示时频率、幅值及相位的单位（2）Style：设置图形显示时的字体、颜色及绘图网格（3）Characteristics：设置系统响应曲线的特性参数（4）Paramerters：设置系统响应输出的时间变量与频率变量控制系统数字仿真2020年9月20日13课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.3线性时不变系统浏览器－LTIViewer2、对某一系统响应曲线绘制窗口进行操作：在系统响应曲线绘制窗口中单击鼠标右键，选择弹出菜单中的Properties对指定响应曲线的显示进行设置：（1）Labels：设置响应曲线图形窗口的坐标、窗口名称（2）Limits：设置坐标轴的输出范围（3）Units：设置响应曲线图形窗口的显示单位（4）Style：设置图形显示时的字体、颜色及绘图网格（5）Characteristics：设置系统响应曲线的特性参数控制系统数字仿真2020年9月20日14课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignToolSIMULINK中，线性时不变系统浏览器LTIviewer是进行系统线性分析的最为直观的图形界面，使用LTIviewer使得用户对系统的线性分析变得简单而直观。其实LTIviewer只是控制系统工具箱中所提供的较为简单的工具，主要用来完成系统的分析与线性化处理，而并非系统设计。SISO设计器是MATLAB控制系统工具箱所提供的一个非常强大的单输入单输出线性系统设计器，它为用户设计单输入单输出线性控制系统提供了非常友好的图形界面。在SISO设计器中，用户可以同时使用根轨迹图与波特图，通过修改线性系统零点、极点以及增益等传统设计方法进行SISO线性系统设计。基本设计方法包括：控制系统数字仿真2020年9月20日15课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计1．启动SIS0设计器在MATLAB命令窗口中键入如下的命令启动SISO设计器：sisotool（rltool）在默认的情况下，SISO设计器同时启用系统根轨迹编辑器与波特图编辑器。此时尚未进行系统设计，故不显示根轨迹与波特图。2．输入系统数据（ImportSystemData）在启动SIS0设计器之后需要为所设计的线性系统输入数据，选择SIS0设计器中File菜单下的Import命令，在显示对话框中完成线性系统数据输入。9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignTool控制系统数字仿真2020年9月20日16课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计注意：如果数据来源为Simulink系统模型框图，则必须对其进行线性化处理以获得LTI对象描述。因为SISO系统中的所有对象（G执行部件、H传感器、F预滤波器、C补偿器）均为LTI(线性时不变)对象。另外，用户可单击控制系统结构右下方的Other按钮改变控制系统结构。9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignTool控制系统数字仿真2020年9月20日17课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计注意：使用系统默认的控制系统结构，并设置控制系统的执行结构（控制对象）数据G〔例如：（2s+1）/(s^2+3s+2)〕，其它的参数H、F、C均使用默认的取值（常数1）。然后单击OK按钮，此时在SISO设计器中会自动绘制此负反馈线性系统的根轨迹图及系统波特图。在系统根轨迹图中，兰色和表示控制对象G的零极点，红色表示系统补偿器C的零极点。用户可在编辑器中对系统的根轨迹进行控制与操作。9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignTool控制系统数字仿真2020年9月20日18课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计3．设计与分析系统可使用零极点配置、根轨迹分析以及波特图分析等方法对线性系统进行设计。除对系统零极点的操作（增加、删除、改变分布）外，单击补偿器增益及传递函数区域可弹出补偿器设置对话框，设置补偿器C的增益、零点、极点等。系统设计完成后，需进一步分析系统的开环或闭环响应，以确保系统是否满足特定的设计需要。可以选择SISO设计器中Tools菜单下的LoopResponses绘制指定的开环或闭环响应曲线。在打开的LTI浏览器上，可对系统性能如过度时间、峰值响应、上升时间等进行分析。如果是设计线性离散系统，可选择Tools菜单下的Continuous/DiscreteConversions选项，对离散系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignTool控制系统数字仿真2020年9月20日19课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计4．SISO设计器与Simulink的集成——系统验证使用SISO完成系统的设计之后，在系统实现之前必须对设计好的系统进行仿真分析，以确保系统设计的正确性。如果直接按照系统设计逐步建立系统的Simulink，将是一件麻烦的工作；SISO提供了与Simulink集成的方法，用户可以直接使用SISO设计器Tools菜单下的DrawSimulinkDiagram直接由设计好的系统生成相应的Simulink系统框图。在生成Simulink系统模型之前，必须保存线性系统的执行结构、补偿器以及传感器等LTI对象至MATLAB工作空间中。注意：生成的Simulink系统模型的实现均采用了MATLAB工作空间中的LTI模块。在生成Simulink系统模型之后，便可以对设计好的系统进行仿真分析以验证系统设计的正确性。9.4单输入单输出系统设计工具－SISODesignTool控制系统数字仿真2020年9月20日20课间休息第九章基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计9.5非线性控制系统设计严格说，由于控制元件或多或少地带有非线性特性，所以实际的自动控制系统都是非线性系统。在某些条件下，可进行线性化处理，作为线性系统来分析。但当系统的非线性特征明显且不能进行线性化处理、或其时域响应不能用线性微分