控制系统工具箱

第10章控制系统工具箱控制系统工具箱是建立在MATLAB对控制工程提供的设计功能的基础上，为控制系统的建模、分析、仿真提供了丰富的函数与简便的图形用户界面。在MATLAB中，专门提供了面向系统对象模型的系统设计工具：线性时不变系统浏览器（LTIViewer）和单输入单输出线形系统设计工具（SISODesignTool）。利用LTIViewer可方便地获得系统的各种时域响应和频率特性等曲线，并得到系统的性能指标，SISODesignTool设计具有极点配置、最优控制和最小二乘估计功能。控制系统工具箱还具有开放性和可扩展性，用户可创建常用的M文件来适应自己的特殊需要。控制系统工具箱允许使用经典控制理论和现代控制理论，对连续控制系统和离散控制系统进行仿真分析。10.1线性时不变系统浏览器—LTIViewer10.2单输入单输出系统设计工具—SISODesignTool主要内容•LTIViewer简介10.1线性时不变系统浏览器LTIViewerLTIViewer可以提供绘制浏览器模型的主要时域和频域响应曲线，可以利用浏览器提供的优良工具，对各种曲线进行观察分析。在MATLAB命令窗口输入命令ltiview,即可进入LTIViewer窗口。10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer•LTIViewer命令菜单及窗口设置1.File菜单【NewViewer】—建立一个新的LTIViewer窗口。【Import】—导入系统对象模型。【Expot】—将当前LTIViewer窗口中的指定系统的对象模型保存到工作空间（Workspace）或者以.mat文件的形式保存在磁盘上。【ToolboxPreferences】—对新建立或重新启动的LTIViewer窗口属性进行设置，对当前窗口无效。这些属性包括坐标单位、对系统指示参数的描述(如调节时间的定义、上升时间的定义等）、坐标颜色、坐标字体大小等。2.Edit菜单【PlotConfigurations】—对显示窗口及显示内容进行配置。可以选择LTIViewer所绘制曲线的布局以及不同绘制区域曲线的响应类型选择，其中响应类型主要有Step、Impulse、Bode、Nyquist、Nichols、Pole/Zero等。10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer【RefreshSystems】—当显示配置发生变化后，使用此命令会使各曲线显示区中的曲线处于最佳显示位置。【DeleteSystems】—删除当前窗口中的对象模型。【LineStyles】—对显示曲线的颜色、线形、标记、坐标网格等属性进行设置。10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer【ViewerPreference】—对当前窗口的坐标单位、范围、窗口颜色、字体等窗口进行设置，并且该设置对当前LTIViewer窗口内所有曲线显示有效。Units选择卡：设置图形显示时的频率、幅值以及相位的单位。Style选择卡：设置图形显示时的字体、颜色以及绘图网格。Characteristics选择卡：设置系统响应曲线的特性参数。Parameters选择卡：设置系统响应输出的时间变量与频率变量。•LTIViewer对象模型⑴tf对象【调用格式】sys=tf(num,den)【说明】将由传递函数模型所描述系统封装成对应的系统对象模型。【调用格式】sys=zpk(z,p,k)【说明】将由零极点增益模型所描述系统封装成对应的系统对象模型⑵ss对象【调用格式】sys=ss(a,b,c,d)【说明】将由状态空间模型所描述的系统封装成对应的系统对象模型。⑶zpk对象10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer⑴曲线显示区的属性设置单击右键弹出菜单，对选定的曲线显示区的属性进行设置。【PlotType】—改变显示框内的显示内容。【Systems】—隐藏/显示指定对象模型的曲线。【Characteristics】—显示重要参数点标记和标记线。根据选择曲线的不同会有不同的设置。对时域曲线的设置主要包括上升时间、峰值时间、进入稳态时间、稳态域标识时间等标记或标记线。对频域曲线的设置主要包括峰值响应幅度裕量点、相交裕量点等标记或标记线。【Grid】—显示/取消显示坐标网格。【Normalize】—对纵坐标归一化。【FullView】—使用系统提供的最大采样数显示曲线。【Properties】—设置曲线图的名称、坐标范围、单位、字体、颜色等属性，确定重要参数点的范围（如上升时间等）、相位图显示范围等。10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer•LTIViewer属性设置⑵数据显示框的属性设置在曲线或活动标记点上单击右键，对选择标记点及对应的数据显示框属性的设置【Alignment】—设置数据显示框相对于标记点的位置（上右、上左、下右、下左）。【FontSize】—设置数据显示框显示字符的大小。【Moveable】—将指定的标记点设置成活动的。【Delete】—删除指定的标记点及对应的数据显示框。【Interpolation】—标记点被鼠标拖动时的插值方式选择。Nearst—根据系统给出的采样点运动（运动不连续）；Linear—在两采样点间采用线性插值，根据插值数据运动（连续）。【TraceMode】—根据对x,y,xy三种方式的选择，标记点沿着所选择的方向运动。10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer典型二阶系统的传递函数为20.64()0.80.64Gsss应用LTIViewer对系统进行分析。1、在MATLAB命令窗口输入sys=tf([0.64],[1,0.8,0.64])ltiview单击【File】∣【Import】，选择在Workspace中的系统模型10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer2．LTIViewer窗口设置单击【Edit】∣【PlotConfigurations】，选择显示6个窗口，并设置每个窗口响应的类型10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer10.1线性时不变系统浏览器LTIViewer•SISODesignTool简介在命令窗口输入命令sisotool，即可进入SISODesignTool主窗口。SISODesignTool快捷工具栏10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool操作位置指示添加单极点添加单零点活动帮助指示添加共轭极点删除极点或零点添加共轭零点坐标放大坐标缩小单击【FS】可以产生4种系统结构供用户选择，单击【+/-】按钮可改变反馈的极性。Bode图编辑区根轨迹编辑区环节C传递函数10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignToolSISODesignTool命令菜单简介1.File菜单【Import】—导入系统设计对象模型。【Export】—保存设计完成后的系统对象模型。【SaveSession】—保存设计工作环境（包括对系统的各种改动），供后续工作使用。【LoadSession】—调入设计工作环境，恢复保存时的状态。10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool2.Edit菜单【OpenLoopNichols】—对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。【PrefilteBode】——对环节F伯德图编辑区进行设置。上述4种设置均与单击右键的弹出菜单一致，主要内容包括增加/删除零极点、设置给定系统参数限制区域（根据所选择曲线的不同，系统参数限制区域也不同）并在对应的曲线图中给出区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。【SISOToolPreference】—针对SISODesignTool所涉及的图形属性进行设置，主要内容包括显示曲线的坐标单位、坐标字体、字号、网络、上升时间定义范围数学模型的表示方式等显示属性。【RootLocus】—对根轨迹曲线编辑区进行设置。【OpenLoopBode】—对开环伯德图编辑区进行设置。当窗口中出现前置滤波环节F伯德图编辑区和尼柯尔斯图编辑区后，【Edit】菜单中会出现下面两个选项：10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool3.View菜单【RootLocus】——显示/取消根轨迹图编辑区。【OpenLoopBode】—显示/取消伯德图编辑区。【OpenLoopNichols】—显示/取消尼柯尔斯图编辑区。【PrefilterBode】—显示/取消环节F（前置滤波器环节）伯德图编辑区。【SystemData】—显示环节G和环节H的传递函数。【Closed-LoopPoles】—显示闭环极点列表。【DesignHistory】—显示设计过程历史纪录。4.Compensators菜单【Edit】—对环节C和环节F进行设计或对已有的设计进行编辑（零极点的增加和删除）。【Store/Retrieve】—保存或使用所设计的对环节C和环节F，主要用于多种设计方案的比较。【Clear】—将环节C和环节F的传递函数置为1。10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool5.Analysis菜单【ResponsetoStepCommand】—在弹出的图形窗口中显示系统阶跃响应曲线。【RejectionofStepDisurbance】—在弹出的图形窗口中显示系统对阶跃扰动的抑制曲线。【Closed-LoopBode】—在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。【CompensatorBode】—在弹出的图形窗口中显示环节C的伯德图。【Open-LoopNyquist】—在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。【OtherLoopResponses】—选择所希望的各类显示曲线。6.Tool菜单【Continuous／DiscreteConversions】—对线性离散控制系统进行设计，主要对离散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。【DrawSimulinkDiagram】—构造系统的Simulink仿真结构图。10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool例13.2.1设单位负反馈系统被控对象的传递函数为326030()91710sGssss应用SISODesignTool设计调节器()cGs，使系统的性能指标为1.0sts，20%p。1、在MATLAB命令窗口输入sys=tf([60,30],[1,9,17,10])sisotool单击【File】∣【Import】导入数据2、SISODesignTool系统分析3、SISODesignTool系统设计10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool例13.2.2设单位负反馈系统被控对象的传递函数为215(0.01)()(0.010.0025)sGssss应用SISODesignTool设计调节器()cGs，使系统的性能指标为50。1、在MATLAB命令窗口输入sys=tf([15,0.15],[1,0.01,0.0025,0])sisotool单击【File】∣【Import】进行数据导入2、SISODesignTool系统分析3、SISODesignTool系统设计4、Simulink仿真10.2单输入单输出系统设计工具SISODesignTool习题13.1系统的传递函数为2100()10100Gsss使用LTIViewer图形工具分析系统。2()(10.25)(10.1)Gssss4513.2系统的传递函数为使用SISODesignTool设计，使系统的速度误差系数小于10s-1，