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大学计算机 控制 节制 仿真技术 第二 杨立 ppt 文稿 资料 课件

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通过本章学习，应该掌握以下内容：第6章 控制系统的MATLAB 7仿真 控制系统的时域分析控制系统的频域分析控制系统的稳定性分析利用MATLAB 7语言进行编程仿真 MATLAB仿真是用先进的计算机程序来实现动态响应曲线的绘制过程。MATLAB仿真绘制的响应曲线，纵、横坐标都自动产生有自适应能力的精确刻度，从曲线的形状可以直接计算出响应的性能指标。 时域响应的MATLAB仿真方法有两种，一种是在MATLAB函数指令方式下进行时域仿真；另一种是在SIMULINK窗口菜单操作方式下进行时域仿真。 MATLAB提供求取连续系统单位阶跃响应函数step()，单位冲激响应函数impulse()，零输入响应函数initial()及其它函数；也提供离散系统的单位阶跃响应函数dstep()，单位冲激响应函数dimpulse()，零输入响应函数dinitial()及其它函数等。6.1.1 概述 6.1 控制系统时域分析的MATLAB实现 6.1.2 连续系统的单位阶跃响应 求取连续系统单位阶跃响应的函数为step()，该命令的调用格式为：（1）step(sys)（2）step(sys，t)（3）step(sys，iu)（4）step(sysl,sys2,，sysn)（5）y，t，x=step(sys) 6.1.3 连续系统的单位冲激响应 求连续系统单位冲激响应的函数为impulse()，该函数命令的调用格式如下： （1）impulse(sys)（2）impulse(sys，t)（3）impulse (sys，iu)（4）impulse(sysl,sys2,，sysN)（5）y，t，x=impulse(sys)6.1.4 连续系统的零输入响应 求连续系统零输入响应的函数为initial()，该函数命令的调用格式如下：（1）y，t，x= initial(sys)（2）initial(sys,x0)（3）initial(sys,x0, t)（4）initial(sysl,sys2,，sysN,x0) 6.2 控制系统频域分析的MATLAB实现6.2.1 概述 在频域分析法中，利用MATLAB仿真可精确绘制Bode图、Nyquist曲线图、Nichols曲线图等多种曲线，并可计算系统的频域性能指标如剪切频率（截止频率）、-穿越频率、相角稳定裕度、幅值稳定裕度等，以便研究系统控制过程的稳定性、快速性及稳态精度等性能。 应用MATLAB提供的频域仿真函数与其它函数命令、语句等，可编制成MATLAB程序，这种在MATLAB的指令方式下进行频域仿真也是最常用的实现方法。6.2.2 连续系统的Bode图绘制1. 求连续系统Bode图的函数 求解连续系统Bode图的函数为bode()，该函数命令的调用格式为：（1）bode(sys)（2）bode(sys,iu)（3）bode(sys,w)（4）bode(sysl,sys2,sysn)（5）bode(sysl,sys2,，sysn,w)（6）mag,phase,w=bode(sys)2. 求离散系统Bode图的函数 求解离散系统Bode图的函数为dbode()，该函数命令的调用格式为：（1）mag,phase,w=dbode(a,b,c,d,Ts)（2）mag,phase,w=dbode(a,b,c,d,Ts,iu)（3）mag,phase,w=dbode(a,b,c,d,Ts,iu,w)（4）mag,phase,w=dbode(num,den,Ts)（5）mag,phase,w=dbode(num,den,Ts,w)6.2.3 绘制系统Nyquist曲线的函数 计算及绘制系统Nyquist曲线的函数为nyquist()，该函数命令的调用格式为：（1）re,im,w=nyquist(sys)（2）nyquist(sys)（3）nyquist(sys,w)（4）nyquist(sys,iu)（5）nyquist(sysl,sys2,sysn) （6）nyquist(sysl,sys2,sysn,w) 如果系统为离散系统，则相应的nyquist函数为 dnyquist()，函数命令调用为：（1）re,im,w= dnyquist(a,b,c,d,Ts)（2）re,im,w= dnyquist(a,b,c,d,Ts,iu)（3）re,im,w= dnyquist(a,b,c,d,Ts,iu,w)（4）re,im,w= dnyquist(num,den,Ts)（5）re,im,w= dnyquist(num,den,Ts,w)6.2.4 求连续系统Nichols曲线的函数 求解连续系统Nichols曲线的函数为nichols()，该函数命令的调用格式为：（1）mag,phase,w= nichols(sys)（2）nichols(sys)（3）nichols(sys,w)（4）nichols(sysl,sys2,sysn)（5）nichols(sysl,sys2,，sysn,w)6.2.5 求系统幅值裕度与相位裕度 求解系统幅值裕度与相位裕度的函数为margin()，该函数命令的调用格式为：（1）Gm,Pm,Wcp,Wcg= margin(sys)（2）Gm,Pm,Wcp,Wcg= margin(mag,phase,w)（3）margin(sys)（4）margin(mag,phase,w) 6.2.6 求系统零极点和根轨迹的函数1. 求系统零极点的函数 求解连续系统零极点的函数为pzmap()，该函数命令的调用格式为：（1）pzmap(sys)（2）pzmap(p,z)（3）p,z=pzmap(sys)2. 求系统根轨迹的函数 求解连续系统零极点的函数为clocus()，该函数命令的调用格式为： （1）clocus (sys) （2）clocus (sys,k) （3）r,k= clocus (sys) 6.3 利用MATLAB语言进行编程仿真 对线性连续系统进行单输入、单输出的处理及仿真可将用户输入的系统传递函数模型转化为仿真计算模型，再应用数值积分法进行仿真。 数值积分法中采用四阶龙格库塔法，可保证系统仿真具备一定的精度和性能指标要求，实现重复运行，便于研究参数的变化对系统动态性能的影响，且运行过程直观、形象，修改参数容易。6.3.1 面向传递函数的线性系统仿真 程序设计思路及其实现： 用MATLAB语言编写的面向传递函数的线性系统仿真程序命名为CSS1(Control System Simulation 1)。（1）输入初始数据（2）形成系统开、闭环的系数矩阵（3）利用四阶龙格-库塔法运算求解（4）输出结果 本程序中从第（2）部分到程序末尾可编辑为CSS1.m文件存储起来。使用时，只要进入到MATLAB命令窗口，按第（1）部分的给定格式输入系统参数和运行参数，再调用该文件即可得仿真运算结果。6.3.2 面向结构图的线性系统仿真 1. 程序设计思路及其实现 采用MATLAB语言编程，面向结构图的线性系统仿真程序命名为CSS2。（1）输入初始化数据（2）程序处理 备注：diag( );产生以括号内向量元素为主对角元素的对角阵P(:,I);取P阵中第I列的所有元素作为单独列向量 若需要观察其它环节动态响应，可重新输入nout值，再次运行程序，即可得到另一环节输出变化曲线、数据。 6.3.3 线性系统的离散相似法仿真 程序设计思路及其实现： 采用MATLAB语言编程，线性系统离散相似法仿真程序命名为CSS3。 输入系统各环节参数阵P，连接阵WIJ，运行参数n,h,L1,T0,Tf，阶跃输入幅值Y0，输出环节编号nout，方法同CSS2。 1. 典型非线性环节 饱和非线性环节 对系统过渡过程的影响：系统的稳定性变好；过渡过程时间增长，快速性能降低；超调量下降，动态的平稳性有所改善。 死区非线性 对系统性能的影响：增大系统的稳态误差，降低定位精度；延长过渡过程时间，使动态性能下降。 滞环非线性 对系统的性能影响：增加系统静差，降低定位精度；在稳态值附近以某一幅度进行振荡，即产生自振，对系统的稳定性带来不利影响。6.3.4 非线性系统离散相似法仿真 2. 仿真框图及程序实现1. 采样控制系统的程序实现 采样控制系统的仿真算法可采用差分方程、连续部分按环节离散化处理、控制器设计为连续系统环节等方法对采样控制系统进行仿真。 采用MATLAB语言编制程序，需要考虑到采样系统有与连续系统不同的特点，在编制程序中应针对一些特殊情况来考虑程序的实现问题。 6.3.5 采样控制系统仿真 2. 高阶