MATLAB论文-基于MATLAB的自动控制系统及案例分析.doc

MATLABMATLAB 论论 文文 基于 MATLAB 的自动控制系统及案例分析 姓 名 学 号 指导老师 物理与电子工程学院 基于基于 MATLABMATLAB 的自动控制系统及案例分析的自动控制系统及案例分析 引言引言 摘要 摘要 MATLAB 是一种数值计算型科技应用软件 其全称是 Matrix Laboratory 也即矩阵实 验室 MATLAB 具有编程直观简单 用户界面友善 开放性强等优点 因此自面世以来 在国际上很快得到推广和应用 MATLAB 具有强大的数值计算与符号计算功能 以及强大的数据可视化 人机智能 交互能力 其发展不断推陈出新 现今的 MATLAB 拥有更丰富的数据类型和结构 更友 善的面向对象 更加快速精美的图形可视 更广泛的数学和数据分析资源 更多的应用 开发工具 这里主要介绍 MATLAB 在控制器设计 仿真和分析方面的功能 即 MATLAB 的控 制工具箱 目前 MATLAB 软件已经成为控制领域最流行的设计和计算的工具之一 本文 将主要介绍运用 MATLAB 进行控制系统分析与设计的全过程 并结合具体实例深入探讨 1 关键词 关键词 MATLAB 自动控制系统 时域 频域 IntroductionIntroduction AbstractAbstract MATLAB is a numerical computing technology application software and its full name is Matrix Laboratory which is called the matrix laboratory MATLAB has many advantages such as simple programming simple interface friendly user interface and strong openness so it has been popularized and applied quickly in the world since it came out MATLAB has powerful functions of numerical calculation and symbolic computation as well as powerful data visualization and human computer intelligent interactive ability and its development is constantly bringing forth new ideas Today s MATLAB has a richer data type and structure a more friendly object oriented faster more beautiful graphics visualization a wider range of mathematical and data analysis resources and more application development tools This article mainly introduces the function of MATLAB in controller design simulation and analysis that is MATLAB control toolbox At present MATLAB software has become one of the most popular design and calculation tools in the field of control This paper mainly introduces the whole process of the analysis and design of the control system by using MATLAB KeyKey words words MATLAB Automatic control system Time domain Frequency domain 目目 录录 一一 绪论绪论 1 1 1 11 1 MATLABMATLAB 基础介绍基础介绍 1 1 1 21 2 研究内容研究内容 1 1 二二 自动控制系统基础自动控制系统基础 2 2 2 12 1 自动控制系统的概述自动控制系统的概述 2 2 2 22 2 开环 闭环控制系统开环 闭环控制系统 2 2 2 32 3 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 3 3 三三 自动控制系统的时域分析自动控制系统的时域分析 4 4 3 13 1 时域分析简介时域分析简介 4 4 3 23 2 动态过程与动态性能动态过程与动态性能 4 4 3 33 3 稳态过程与稳态性能稳态过程与稳态性能 5 5 3 43 4 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 5 5 3 53 5 时域分析法的时域分析法的 MATLABMATLAB 实现实现 6 6 3 5 13 5 1 控制系统的动态性能分析控制系统的动态性能分析 6 6 3 5 23 5 2 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析 7 7 四四 自动控制系统的频域分析自动控制系统的频域分析 8 8 4 14 1 频域分析法简介频域分析法简介 8 8 4 24 2 有关频率分析法的几个概念有关频率分析法的几个概念 8 8 4 34 3 频率特性的性能指标频率特性的性能指标 9 9 4 44 4 频域分析法的频域分析法的 MATLABMATLAB 实现实现 1010 4 4 14 4 1 B BODEODE图的绘制图的绘制 1010 4 4 24 4 2 B BODEODE图分析控制系统的稳定性图分析控制系统的稳定性 1111 五五 总结总结 1313 参考文献参考文献 1414 一一 绪论绪论 1 11 1 MATLABMATLAB 基础介绍基础介绍 MATLAB 程序设计语言是 MathWorks 公司于 20 世纪 80 年代推出的高性能的数值矩 阵计算软件 其功能强大 适用范围广泛 提供了丰富的库函数 编程简单 易懂 效 率高 MATLAB 无论作为科学研究与工程运算的工具 还是作为控制系统方阵的教学工 具 都是必不可少的 目前 MATLAB 已经成为国际学术界公认的最流行的科学计算软 件 MATLAB 主要由以下三个部分组成 下面分别加以介绍 2 1 MATLAB 图形处理系统 这是 MATLAB 图形系统的基础 它包括生成二维数据和三维数据可视化 图像处理 动画及演示图形和创建完整的图形用户接口的命令 2 MATLAB 数学函数库 MATLAB 提供了非常丰富的数学计算函数 可以进行简单和复杂的数学计算 比如 矩阵求逆 级数求和 贝塞尔函数和快速傅里叶变换等 3 MATLAB 应用程序接口 MATLAB 用户能够在 MATLAB 环境中使用其它程序 也可以从 MATLAB 中调用其 它程序 1 21 2 研究内容研究内容 1 熟悉自动控制系统理论和 MATLAB 软件 2 了解 MATLAB 软件的编程思路与方法 3 完成使用 MATLAB 软件对自动控制系统进行时域 频域分析与仿真和线性系统 状态空间分析的方法 编写相关程序 4 对仿真结果进行分析 评价控制系统的性能 二二 自动控制系统基础自动控制系统基础 2 12 1 自动控制系统的自动控制系统的概述概述 在现代社会生产过程中 为了提高产品的质量 需要对生产设备和生产过程进行自 动控制 使被控的量按照期望的规律去变化 这些被控制的设备称为控制对象 被控制 的量称为被控量或输出量 生产设备或生产过程中 一般只考虑对输出量影响最大的物理量 这些量称为输入 量 输入量可以分为两种类型 一种保证对象的行为达到所要求的目标 这类输入量称为 控制量 另一种是妨碍对象的行为达到目标 这一类输入量称为扰动量 自动控制系统是在无人直接参与的情况下 可使生产过程按照期望的运行规律去运 行的控制系统 系统是完成要求和任务的部分的组合 2 2 22 2 开环 闭环控制系统开环 闭环控制系统 如果控制系统的输出量对系统运行过程或结果没有控制作用 这种系统称为开环控 制系统 图 2 1 表示了开环控制系统输入量与输出量之间的关系 图 2 1 开环控制系统示意图 这里 输入量直接作用于控制对象 不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比 较 所以只有输入量影响输出量 当出现扰动时 若没有人的干预 输出量将不能按照 输入量所希望的状态工作 闭环控制系统是把输出量检测出来 再反馈到输入端与输入量进行相减或者相加 利用比较后的偏差信号 经过控制器对控制对象进行控制的系统 图 2 2 表示了闭环控制 系统输入量 输出量和反馈量之间的关系 图 2 2 闭环控制系统示意图 这种系统把输出量经检查后 变成输入量相同的物理量反馈到输入端形成闭环 参 与系统的控制 所以称为闭环控制系统 由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的 所以也称为反馈系统或偏差控制系统 2 32 3 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 在控制过程中 当扰动量发生变化时 通过反馈控制的作用 经过短暂的过渡过程 被控量又恢复到原来的稳定值 或按照新的给定量稳定下来 这时系统从原来的平衡状 态过渡到新的平衡状态 我们把被控量处于变化的状态称为动态或暂态 而把被控量在 相对稳定的状态称为静态或稳态 对控制系统性能有三个方面的要求 3 1 稳定性 稳定性定义为系统受到外扰或内扰作用以后 恢复原来状态或形成新的平衡状态的 能力 稳定是系统正常工作的首要条件 2 快速性 自动控制系统不仅要满足动态性能的要求 还应能满足暂态性能的要求 为了满足 生产过程中的要求 往往要求系统暂态过程不但是稳定的 而且进行得越快越好 振荡 程度越小越好 3 准确性 稳态误差是指系统达到稳定时 输出量的实际值和期望值之间的误差 这一性能反 映了稳定时系统的控制精度 稳态误差越小 系统性能越好 给定稳态误差是在参考输入信号的作用下 当系统达到稳定后 其稳态输出与参考 输入所要求的期望输出之差 三三 自动控制系统的时域分析自动控制系统的时域分析 3 13 1 时域分析简时域分析简介介 时域分析法是根据微分方程 利用拉氏变换直接求出系统的时间响应 然后按照响 应曲线来分析系统的性能 是一种直接在时域中对系统进行分析的方法 具有直观和准 确的优点 控制系统时域分析法最常用的方法有两种 一是当输入为单位阶跃信号时 求出系统的响应 二是当输入为单位冲激信号时 求出系统的响应 3 3 23 2 动态过程与动态性能动态过程与动态性能 动态过程又称为过渡过程或瞬态过程 是指系统在典型输入信号作用下 其输出量 从初始状态到最终状态的响应过程 通常 在单位阶跃信号作用下 稳定系统的动态过 程随时间 t 变化的指标称为动态性能指标 控制系统的动态性能指标一般有以下几个 1 上升时间 r t 系统响应从零首次上升到稳态值 h 所需的时间定义为上升时间 2 延时时间 d t 从输入信号开始施加时起 系统输出时间响应第一次达到稳态值 50 所需要的时间 定义为延时时间 3 峰值时间 p t 系统响应超过其终值达到第一个峰值所需要的时间定义为峰值时间 它反映了系统 对输入信号反应的快速性 值越小 系统对输入信号反映越快 4 调整时间 s t 响应达到并保持在终值 2 或 5 误差内所需要的最短时间定义为调节时间 在默认 情况下 MATLAB 计算动态性能时 取误差范围为 2 它反应了动态过程进行得快慢 是系统快速性指标 值越小 系统的快速性就越好 5 超调量 响应的最大偏差量 h t 与终值 h 的差与终值 h 之比的百分数 定义为超调量 p 即 3 1 100 h hth p 它反应了动态过程的平稳性 值越小 平稳性越好 3 33 3 稳态过程与稳态性能稳态过程与稳态性能 稳态过程又称为稳态响应 指系统在典型输入信号作用下 当时间 t 趋于无穷大时 系统输出量的表现方式 它表现系统输出量最终复现输入量的程度 提供系统有关稳态 误差的信息 4 稳态误差是控制系统控制准确度的一种量度 也称为稳态性能 若时间趋于无穷大 时系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数 则系统存在稳态误差 对于图 3 2 所示的控制系统 输入信号至误差信号之间的误差传递函数为 sR sE 1 1 sHsGsR sE s e 3 2 则系统的误差信号为 3 3 11 sRssEte e 当的极点均位于 左半平面时 应用拉普拉斯变换的终值定理可求出系统的稳 ssEs 态误差为 3 4 1 lim lim lim 00 sHsG ssR ssEtee sst ss 3 43 4 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 稳定性是控制系统的重要性能 也是系统能正常运行的首要条件 系统原处于某一 平衡状态 若它受到瞬间的某一扰动作用而偏离原来的平衡状态 当扰动撤消后 系统 仍能回到原有的平衡状态 则称该系统是稳定的 反之 系统为不稳定的 线性系统的 稳定性只取决于系统本身 与外界无关 若系统是连续时间控制系统 其闭环传递函数的极点均严格位于 s 左半平面 则此系 统是稳定系统 若系统是离散时间控制系统 其闭环特征根位于 z 平面上的单位圆周内部 即其闭环特征根的模小于 1 3 3 5 5 时域分析法时域分析法的的 MATLABMATLAB 实现实现 3 5 13 5 1 控制系统的动态性能分析控制系统的动态性能分析 MATLAB 提供了线性定常系统的各种时间响应函数和各种动态性能分析函数 部分 函数如下表所示 5 本文主要介绍 step 函数和 impulse 函数 表 3 1 部分时域响应分析函数 函数名称功能 step计算并绘制线性定常系统阶跃响应 impulse计算并绘制连续时间系统冲激响应 initial计算并绘制连续系统零输入响应 lism仿真线性定常连续模型对任意输入的响应 dstep计算并绘制离散时间系统阶跃响应 1 step 函数 功能 求线性定常系统的单位阶跃响应 其调用格式如下 step sys 绘制系统 sys 的单位阶跃响应曲线 例 3 1 已知典型系统的传递函数为 求系统的单位阶跃 1812 2 1 ss sG 响应 MATLAB 编程 sys tf 2 conv 2 1 8 1 step sys xlabel t ylabel y title 单位阶跃响应 grid on 图 3 1 系统的单位阶跃响应图形 由图可知 上升时间 18 5s 峰值时间 45s 此值大 说明系统对输入信号反应 r t p t 慢 调节时间 33 6s 此值较大 系统的快速性差 输出信号复现输入信号的能力弱 s t 超调量 0 此值小 说明系统的平稳性较好 2 impulse 函数 功能 求线性定常系统的单位冲激响应 其调用格式若下 impulse sys 绘制系统的单位冲激响应曲线 例 3 2 已知典型系统的传递函数为 求系统的冲激 1025 120 2 2 ssss s sG 响应 MATLAB 编程 sys tf conv 20 1 1 conv 1 0 conv 1 5 1 2 10 impulse sys xlabel t ylabel y title 单位冲激响应 grid on 图 3 2 系统的冲激响应图形 3 5 23 5 2 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析 应用 MATLAB 可以方便快捷的对控制系统进行时域分析 由于控制系统的闭环极点 在 s 平面上的分布决定了控制系统的稳定性 所以要判断控制系统的稳定性 只需要确定 控制系统闭环极点在 s 平面上的分布 在 MATLAB 中 可以使用函数 pzmap 绘制系统 的零极点图判断系统的稳定性 例 3 3 已知系统的传输函数为 判断该系统的稳定性 1101 200 2 3 sss sG MATLAB 编程 sys tf 200 conv 1 0 0 conv 1 5 1 2 10 pzmap sys xlabel 实轴 ylabel 虚轴 title 系统的零极点图 grid on 图 3 3 系统零极点分布图 由图 3 3 可知 该系统所有极点位于 s 的左半平面 所以该系统是稳定系统 四四 自动控制系统的频域分析自动控制系统的频域分析 4 4 1 1 频域分析法简介频域分析法简介 频域分析法是自动控制领域中应用又一种数学工具频率特性来研究控制系统过程性 能 即稳定性 快速性及稳定精度的方法 这种方法可以直观地表达出系统频率特性 而且分析方法简单 物理概念明确 可以从系统的频率特性上直接地看出物理实质 频 域分析法里主要用到 2 种曲线 Bode 图 Nyquist 曲线图 Bode 图在频域分析法里占有 重要的地位 6 4 24 2 有关频率分析法的几个概念有关频率分析法的几个概念 1 频率响应 当线性系统受到正弦信号作用时 系统稳定后输出的稳态分量仍然是同频率的正弦 信号 这种过程叫做系统的频率响应 2 频率特性 正弦信号的作用下 系统输出的稳态分量为同频率的正弦信号 其振幅与输入正弦 信号振幅的比相对于正弦信号角频率间的关系叫做幅频特性 其相位与输入正弦信 wA 号的相位之差相对于正弦信号角频率间的关系叫做相频特性 w 系统频率响应与输入正弦信号的复数比叫做系统的频率特性 记作 4 1 jw ewAjwG 系统的频率特性与系统的传递函数之间有着简单而直接的关系 4 2 jws sGjwG 3 Bode 图 Bode 图即对数频率特性曲线 Bode 图有两条曲线 分别是对数幅频特性曲线和对数 相频特性曲线 横坐标都是角频率 是按常用对数 以 10 为底的对数 刻度的 即 w 其单位是弧度每秒 对数相频特性的纵坐标是 等分刻度 其单位为度或弧 wlg w 度 而对数幅频特性的纵坐标是 20lg 也是等分刻度 其单位为分贝 wL wA 4 幅相特性 系统的频率特性里既有振幅信息又有相位信息 所以又叫做系统 wj ejwAjwG 的幅相特性 幅相特性图形化的形式 即是幅相特性曲线 4 34 3 频率特性的性能指标频率特性的性能指标 采用频域方法进行线性控制系统设计时 时域内采用的诸如超调量 调整时间等描 述系统性能的指标不能使用 需要在频域内定义频域性能指标 7 主要有以下几个 1 峰值 它是幅频特性的最大值 一般来说 峰值的大小表明闭环控制系统相对稳定性 wA 的好坏 峰值越大 表明系统对某个频率的正弦信号反映强烈 2 带宽 它是幅频特性的数值衰减到 0 707时对应的角频率 带宽用于衡量控制系 wA 0 A 统的快速性 带宽越宽 表明系统复现快速变化信号的能力越强 阶跃响应的上升时间 和调整时间就越短 3 相频宽 它是相频特性等于时对应的角频率 相频宽也用于衡量系统的快速性 w 2 相频宽高 表明输入信号的频率越高 即系统反应快速 快速性好 4 剪切频率 系统开环对数幅频特性曲线 20lg G 与横坐标轴交点的角频率 常用 w 来表示 c w 5 穿越频率 系统开环对数相频特性曲线与线交点所对应的角频率 w 常用来表示 g w 6 稳定欲度 1 相角稳定欲度 系统开环幅相特性曲线上模值等于 1 的向量与负实轴的夹角 常用 表示 jwG 即 c w 4 3 2 幅值稳定裕度 系统开环幅相特性曲线与负实轴交点模值的倒数 常用来表示 即 jwG c w c wG h 4 4 1 c wG h 4 44 4 频域分析法的频域分析法的 MATLABMATLAB 实现实现 4 4 14 4 1 BodeBode 图的绘制图的绘制 MATLAB 提供的频域分析函数如表 4 1 所示 本文主要介绍函数 bode 其基本调用 格式为 bode sys bode sys w mag phase w bode sys 表 4 1 频域分析函数 函数名功能 bode 绘制 Bode 图 nyquist 绘制 Nyquist 图 margin 计算系统的增益和相位裕度 Bode 函数用来计算并绘制系统的 Bode 图 当函数命令为等式左边输出变量的格式 时 函数在当前窗口中直接绘制出系统的 Bode 图 线性时不变系统对象 sys 可以是由函数 tf zpk ss 中的任何一个函数建立的系统 模型 12 w 用来定义绘制 Bode 图时的频率范围或者频率点 第三条语句只计算系统 Bode 图的输出数据 而不绘制曲线 mag 为系统 Bode 图的振幅值 phase 为 Bode 图的 相位值 例 4 1 已知系统的传递函数为 绘制系统的 Bode 1 4 1 1 1 0 2 4 s sss s s sG 图 MATLAB 编程 num conv 1 0 1 0 1 1 den conv 1 0 conv 1 1 1 1 4 1 sys tf num den bode sys grid on 图 4 1 系统的 bode 图 4 4 24 4 2 BodeBode 图分析控制系统的稳定性图分析控制系统的稳定性 MATLAB 提供了直接求解系统的幅值稳定裕度和相位稳定裕度的函数 margin 其调 用格式为 Gm Pm Wcg Wcp margin sys Gm Pm Wcg Wcp margin mag phase w 这些语句只计算系统 Bode 图的输出数据 而不绘制曲线 margin 函数可以从频率 响应数据中计算出幅值稳定裕度 相位稳定裕度及其对应的角频率 有了控制系统的 Bode 图 就可以计算频域性能指标 当计算出的相角稳定裕度 0 时 则系统闭环稳定 否则不稳定 例 4 2 已知系统开环传递函数为 试用 Bode 图判 1025 120 2 2 ssss s sG 断闭环系统的稳定性 并绘制系统的单位阶跃响应曲线来验证 MATLAB 编程 sys tf conv 20 1 1 conv 1 0 conv 1 5 1 2 10 margin sys grid on Gm Pm Wcg Wcp margin sys 程序执行结果为 Gm 3 1369 Pm 103 6573 Wcg 4 0132 Wcp 0 4426 模值稳定裕 度 Lh 20lg3 1369dB 穿越频率 wg 4 0132rad s 相角稳定裕度 截止频率 6573 103 wc 0 4426 由奈氏判据知 系统闭环稳定 图 4 2 开环系统的 Bode 图 绘制系统