第1章MATLAB操作基础

1、MATLAB语言杨成慧 副教授 主讲电气工程学院 自动化教研室 自动化专业2016.8l课程编号：1800X106l适用专业： 自动化l主教材：l1杨成慧，孙永龙，许燕，陈杨成慧，孙永龙，许燕，陈英英MALTAB基础及实验教程北京：基础及实验教程北京：北京大学出版社北京大学出版社2014.1l2刘国良，杨成慧MALTAB程序设计基础教程西安：西安电子科技大学出版社2013.8l 辅助教材： l 1刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第2版）北京：高等教育出版社2013.1l 实验（上机、实践）教材：l 1杨成慧，孙永龙，许燕，陈英MALTAB基础及实验教程北京：北京大学出版社2014.1l 课

2、程性质：学科平台选修课l 参考书目: l 1张贤明.MATLAB教材.南京：东南大学出版社.2010.9。l 2张平.大学本科教材计算机教学丛书:MATLAB基础与应用.北京：北京航空航天大学出版社.2007.7。l 推荐刊物： l 1. 计算机仿真Computer Simulationl 2. 计算机工程Computer Engineeringl 3. 系统仿真学报JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONl 相关网站：l 1.中国自动化学会 http:/ 2.中国指挥与控制学会 http:/ 作为控制理论与控制工程及计算机仿真的强有力工具，近年来MATLAB/Simulink

3、 得到了业界的一致认可，在控制系统仿真、分析与设计方面得到了广泛应用，其自身也因此得到了迅速发展，功能不断扩充。随着社会生产力的不断发展和人们生活质量的不断提高，必将对控制理论、技术、系统与应用提出越来越多、越来越高的要求，因此有必要进一步加强、加深对这个方面的研究，MATLAB/Simulink为此提供了可能，实践已表明它的确是一个功能强大、形象逼真、便于操作的软件工具。l 学 时：36学时，其中理论课18学时、上机实验18学时l 学 分：2分，其中理论课1学分、实验（含上机、实践）1学分（注：理论教学12-18学时计1学分，实验、上机、实践教学18时计1学分）l 先修课程： 电路分析、数字

4、电子技术、模拟电子技术、自动控制原理、检测与变换技术、计算机控制、现代控制理论l 授课方式： 课堂讲授+上机指导l 课程考核: l 平时成绩： 20 % ，考核方式：考勤、作业、课堂提问，（其中：考勤30%，作业30%，课堂提问40%）l 期中成绩： 20 %，考核方式：随堂测试l 实验成绩： 20 %，考核方式：平时实验（上机、实践）态度、实验报告（实践总结等）两部分，（其中：平时实验（上机、实践）态度30%，实验报告（实践总结等）70%。无单独实验）l 期末成绩： 40 %，考核方式：开卷考查l （克拉玛依）课程考核: l 平时成绩： 20 %，考核方式：考勤、作业、提问（考勤30%，作业

5、30%，提问40%）l 期中成绩： 20 %，考核方式：随堂测试l 实验成绩： 20 %，考核方式：平时实验（上机、实践）态度、实验报告（实践总结等）两部分，（其中：平时实验（上机、实践）态度30%，实验报告（实践总结等）70%。无单独实验）l 期末成绩： 40 %，考核方式：开卷考查l 第一节： MATLAB与自动控制系统的基本概念（0.5学时）l 一、MATLAB概述；l 二、开环控制系统与闭环控制系统、闭环控制系统的组成结构、反馈控制系统品质要求。l 第二节：MATLAB的开发环境与自动控制系统分类(0.5学时)l 一、MATLAB的开发环境；l 二、线性系统和非线性系统、离散系统和连续

6、系统、恒值系统和随动系统。l 第三节：MATLAB集成环境与自动控制系统仿真基本概念（0.5学时）l 一、MATLAB集成环境；l 二、计算机仿真基本概念、自动控制系统仿真。 l 第四节：MATLAB帮助系统与控制系统仿真（0.5学时）l 一、MATLAB帮助系统；l 二、自动控制系统计算机仿真基本过程、计算机仿真技术发展趋势。l考核要求：l1. 记忆MATLAB基本知识和自动控制系统基本概念及其分类l2. 理解自动控制系统仿真基本概念l3简单应用MATLAB集成环境各个窗口l4. 综合应用命令窗口和各个基本菜单的调用1.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 被控对象：控制系统要进行控制的

7、受控客体被控对象：控制系统要进行控制的受控客体 被控量：控制对象要实现的物理量被控量：控制对象要实现的物理量 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船的航角、船的航迹迹 、电网的电压、电网的电压 、生产过程中的压力、流量、生产过程中的压力、流量 、温度、温度 、湿度等。湿度等。应用领域应用领域：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、 酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事领域。领域。自动控制的定义：自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控是指

8、在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。91.2 自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制 约，组成一个具有一约，组成一个具有一 定运动规律的定运动规律的整体整体。控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系 统，由被控对象和控制

9、器构成的整体。统，由被控对象和控制器构成的整体。自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能的来源：的来源：1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态的信息。的信息。10 开环控制开环控制按控制方式按控制方式 闭环控制闭环控制 （反馈控制）（反馈控制） 复合控制复合控制 按

10、对象方式按对象方式运动控制运动控制 （电机调速、机器人）（电机调速、机器人）过程控制过程控制 （锅炉过程、化工过程）（锅炉过程、化工过程）把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈反馈。传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈，传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈，对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性）对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性）影响很大。影响很大。11开环控制系统开环控制系统Open-loop Control

11、System定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道， 这种控制方式称为开环控制这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。开环控制系统又称无反馈控制系统。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量图图1.1 开环控制系统方块图开环控

12、制系统方块图（按输入量控制方式按输入量控制方式）（被控量）12功率功率放大放大SM负载负载+u0nua图图1-2电动机电动机速度控制系统速度控制系统13+-+ugudoMiuin(a) 原理图原理图R 放大放大 器器 负载负载 给定信号给定信号ug被控量被控量 扰动扰动inui(b) 方块图方块图 电压电压 放大放大 电阻电阻 R 触发触发 器器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 电动电动 机机前馈控制前馈控制(开环开环)（按扰动量控制方式按扰动量控制方式）(参考输入量)这种控制方式的前提条件：是干扰能够被测量这种控制方式的前提条件：是干扰能够被测量应用：交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线应

13、用：交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线14闭环（反馈）控制系统闭环（反馈）控制系统Closed-loop Control Systeml 闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的控制方式。控制方式。l 负反馈负反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈 。l 反馈控制反馈控制采用采用负反馈负反馈(正反馈较少正反馈较少)并利用偏差并利用偏差进行控制的过程进行控制的过程 （利用偏差修正偏差）。（利用偏差修正偏差）。l 由于引入了被反馈量的反馈

14、信息，整个控制过程成由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制 。15热力系统的人工反馈控制蒸蒸汽汽冷水热水温度计 热力系统的人工反馈控制排排水水16自自动动控控制制器器热热水水冷冷水水蒸蒸汽汽温温度度测测量量装装置置排排水水热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制控控制制阀阀热力系统的自动反馈控制17闭环控制的优缺点闭环控制的优缺点优点：优点： 抑制干扰能力强抑制干扰能力强 对参数变化不敏感对参数变化不敏感 能获得满意的动态特性和控制精度能获得满意的动态特性和控制精度缺点：缺点： 增加了系统的复杂性，如果参数选取增

15、加了系统的复杂性，如果参数选取 不恰当，系统可能会振荡。不恰当，系统可能会振荡。 所以，所以，参数选取参数选取是控制理论和系统设计必是控制理论和系统设计必 须解决的重要问题。须解决的重要问题。18l 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 l 应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学种非工程范畴内，诸如

16、社会学、经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。中，也存在着反馈控制系统。反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象19反馈在系统可以分正反馈和负反馈反馈在系统可以分正反馈和负反馈u负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部分。这个分。这个差值差值反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。例如，控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。例如，人打算拿桌上的盒子。目测距离，确定方向，移动，不断测

17、距人打算拿桌上的盒子。目测距离，确定方向，移动，不断测距离，脑判断以消除偏差离，脑判断以消除偏差 u正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。负反馈配合使用，以使系统的性能更优。 例如，铀例如，铀235在中在中子轰击下，通常会产生两个中等质子数的核，并放出子轰击下，通常会产生两个中等质子数的核，并放出23个中个中子和大量能量。放出的中子有的则继续引起重核裂变。这样就子和大量能量。放出的中子有的

18、则继续引起重核裂变。这样就会使系统中的作用越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控会使系统中的作用越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度 20闭环控制系统框图闭环控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量21M给 定 装 置放 大 器电 机减 速 器调 压 器 220热 电 偶电 阻 丝 放大器期望炉温电动机减速器调压器恒温炉热电偶给定电压-ee给定电压给定电压热电偶热电偶输出电压输出电压22当炉内实际温度与给定

19、电位计表征的希望高度当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值。趋于希望值。 工作原理：工作原理：23闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较 l 开环控制：顺向作用，没有反向的联

20、系，没有修开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。电机，水泵，风扇）。 l 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成

21、本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。系统设计、分析麻烦。 24复合控制系统复合控制系统 Compound Control Systeml 定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。 是构成高精度控制系统的一种有效控制方式，是构成高精度控制系统的一种有效控制方式， 使控制系统具有良好的控制性能。使控制系统具有良好的控制性能。l 复合控制的两种基本形式复合控制的两种基本形式 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制25图图

22、1.3 干扰补偿的复合控制系统方块图干扰补偿的复合控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿按干扰前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制26图图1.4 输入补偿的复合控制系统方块图输入补偿的复合控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制27l 用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，“”号代表两者符号相反。信号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达

23、输出端的传输通路称前向通路；号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 图图1.5 闭环控系统基本组成闭环控系统基本组成串联校正（补偿）元件放大元件执行机构被控对象反馈校正元件测量元件被控量1.3 闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成输入量比较元件给定装置负反馈28给定装置：给定装置：产生给定值或输入信号（量

24、）（即参考量或期望值）产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量元件：测量元件：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号 各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较元件：比较元件：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件 给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。如差动放大器、自整角机。放大元件：放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件将比较元件给出的偏差进行放大

25、，用来推动执行元件 去控制被控对象，如放大器、晶闸管。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。如步进电机，继电器开关。补偿（校正）元件：补偿（校正）元件：结构或参数便于调整的元件或机构，用串联结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。29 1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求自动控制系统性能的基本要求（自动控制系统性能的基本要求（三个方面）三个方面）l 稳定性（先决条件）稳定性

26、（先决条件） 系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。一切自动控制系统必须满足的最基本原来平衡状态的能力。一切自动控制系统必须满足的最基本要求。要求。由系统的结构由系统的结构参数参数决定与外界因素无关。决定与外界因素无关。30 稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响应的暂态过程应该是应的暂态过程应该是收敛收敛的。如果系统设计不当，则在阶跃的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为

27、等幅等幅振荡振荡，甚至成为振幅逐渐增大的，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡发散振荡，发生这种情况的，发生这种情况的系统称为系统称为不稳定系统不稳定系统。 系统稳定性包括两个方面的含义。系统稳定性包括两个方面的含义。（1）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。（2）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统，很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳

28、定系统，但相对稳定性差。但相对稳定性差。31l 过渡过程性能（快速性要求）过渡过程性能（快速性要求）：系统受到短暂的扰动系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力，后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力，由由系统的结构系统的结构参数参数决定与外界因素无关。决定与外界因素无关。 描述描述过渡过程性能可以用过渡过程性能可以用平稳性平稳性和和快速性快速性加以衡量，加以衡量，一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。超调量。l 稳态误差（控制精度或准确性要求）稳态误差（控制精度或准确性要求）：过渡过

29、程结束过渡过程结束后的输出响应后的输出响应 系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出量之差叫稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。输出跟随参考输入的精度越高。 简单地说：稳、快、准简单地说：稳、快、准321-5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类l 按工作原理分类按工作原理分类 开环控制、闭环控制、复合控制开环控制、闭环控制、复合控制l 按数学模型分类按数学模型分类定常系统和时变系统定常系统和时变系统线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统u当系统中各

30、元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性当系统中各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能以线性微分方程或差分方程来描述时，这种系统称为线性能以线性微分方程或差分方程来描述时，这种系统称为线性系统。线性系统的一个突出的特点就是满足系统。线性系统的一个突出的特点就是满足叠加定理叠加定理，所以，所以在判别系统是线性或非线性时，可运用叠加定理来判断。在判别系统是线性或非线性时，可运用叠加定理来判断。u系统中只要存在一个元件为非线性元件，系统的微分方程就系统中只要存在一个元件为非线性元件，系统的微分方程就由非线性方程来描述，这样的系统称为非线性系统。由于非由非线性方程来描述，这样的系统称为非线性

31、系统。由于非线性系统的多样性，叠加原理也不成立，研究起来也不方便，线性系统的多样性，叠加原理也不成立，研究起来也不方便，所以只有在一定条件下用所以只有在一定条件下用近似分析近似分析的方法来处理的方法来处理。 33v按系统内部的信号特征分类按系统内部的信号特征分类 连续系统和离散系统连续系统和离散系统u连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数，这类系统的运动状态是用时间的连续函数，这类系统的运动状态是用微分方程微分方程来描述的。来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际连续系统中各元件传输的信息在

32、工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用和来表示。物理系统都属于这一类，其输入输出一般用和来表示。控制系统中只要存在一处的信号脉冲序列或数码时，该系统控制系统中只要存在一处的信号脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程差分方程来描述，来描述，实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，将连续系统离散化，即采样。采样过程通往是控制上的需要，将连续系统离散化，即采样。采样过程通常是通过采样开关把连续的模拟量变为脉冲序列，这

33、样的系统常是通过采样开关把连续的模拟量变为脉冲序列，这样的系统一般又称为采样控制系统。一般又称为采样控制系统。34v按输入量变化规律的功能分类按输入量变化规律的功能分类 恒值控制系统：恒值控制系统： 如温度控制系统、调速系统等如温度控制系统、调速系统等 随动控制系统：随动控制系统： 如、函数记录仪、高射炮等如、函数记录仪、高射炮等 程序控制系统：程序控制系统： 如数控机床、交通灯系统等如数控机床、交通灯系统等u 随动控制系统的主要特点是输入给定信号的变化规律是事先随动控制系统的主要特点是输入给定信号的变化规律是事先不能确定的不能确定的随机信号随机信号，这类系统的任务是使输出快速、准确，这类系统

34、的任务是使输出快速、准确地跟随给定信号的变化而变化，故称作随动控制系统。地跟随给定信号的变化而变化，故称作随动控制系统。u程序控制系统与随动控制系统不同之处就是它的给定输入程序控制系统与随动控制系统不同之处就是它的给定输入不是随机不可知，而是按不是随机不可知，而是按事先预定事先预定的规律变化。这类系统的规律变化。这类系统往往适用于特定的生产工艺或工业过程，按所需要的控制往往适用于特定的生产工艺或工业过程，按所需要的控制给定输入，要求输出按预定的规律变化。给定输入，要求输出按预定的规律变化。35 1. 液位控制系统液位控制系统 图图1.61.6（a a）是一个液位控制系统原理图。）是一个液位控制

35、系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。对误差进行修正，从而保持液位不变。 图图1.61.6（b b）是该控制系统的方块图。）是该控制系统的方块图。1.6 自动控制系统示例自动控制系统示例36H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀阀门门图1.6 （a） 液位控制系统37 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II

36、） 控制系统方块图控制器：比较、放大的作用控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件 Q2Q2为系统的干扰量为系统的干扰量气动阀门：执行机构气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱图1.6 （b） 液位控制系统38眼 睛 测 量 装 置 （ 浮 子 ） 手 气 动 阀 门头 脑 控 制 器 ， 比 较 、 计 算希希望望液液位位实实际际液液肌肌肉肉、手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相相对对应应的的人人工工操操纵纵系系统统方方块块图图 脑脑392.2.液位控制系统液位控制系统控制阀控制阀减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关

37、Q2Q1cifSM40电动机速度控制系统电动机速度控制系统+电压电压放大放大u0nuaueut功率功率放大放大负载负载SMTG3.电动机速度电动机速度闭环闭环控制系统控制系统414.电动机速度电动机速度复合复合控制系统控制系统+电压电压放大放大+u0nuaueutRi电压电压放大放大功率功率放大放大负载负载SMTG421.7 自动控制理论的发展简史自动控制理论的发展简史l 人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如造许多装置。如2000年前，罗马人：水位控制系统（淋年前，罗马人：水位控制系统（淋浴）浴） ，神庙（开关门

38、）英雄装置。中国能工巧匠（，神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（技师、技师、工程师工程师 、科学家、科学家 ）：张衡的地震方向测定仪，苏颂的水运）：张衡的地震方向测定仪，苏颂的水运仪象台。仪象台。v1932年，年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应(对对稳态正弦输入稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。，确定闭环系统稳定性的方法。v1868年，英国年，英国J.C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。出现的不稳定问题。1892年李雅普诺夫用严格的数学分析方法年李雅普诺夫用严格的数学分析方法论述

39、了稳定性问题，至今仍然是分析稳定性的重要方法。论述了稳定性问题，至今仍然是分析稳定性的重要方法。v1787年，年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。是自动控制领域的第一项重大成果。43v从从1980现在，智能控制理论集中于现在，智能控制理论集中于3C控制系统及其相控制系统及其相关课题。关课题。v20世纪世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。v1948年，美国数学家年，美国数学家N.Wi

40、ener出版出版Cybernetics是一个是一个控制科学里程碑。控制科学里程碑。控制论控制论的副标题是关于人、动物及其通的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。讯的科学。v20世纪世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。v20世纪世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。析的现代控制理论提供了可能。v从从19601980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复，

41、确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。44l 古典（经典）控制理论（古典（经典）控制理论（17871960）主要解决单输入单输出定常控制系统分析设计问题。主要解决单输入单输出定常控制系统分析设计问题。主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，经典统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，经典控制理

42、论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于这一时期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊文思提出了年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。直观而又形象的根轨迹法。45l现代（近代）控制理论（现代（近代）控制理论（19601980） 经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间

43、法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。系统具有高精度和高效定常的，也可以是非线性的、时变的。系统具有高精度和高效能的特点。能的特点。 这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（Bellman）及卡尔曼（及卡尔曼（R.E.Kalman，1930）等人。庞特里亚金于）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规化原则；年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估

44、计器的论文，年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。即所谓著名的卡尔曼滤波。46l智能控制理论（智能控制理论（1980） 以人工智能为基础，研究复杂对象以人工智能为基础，研究复杂对象(车间、工厂、集车间、工厂、集 团团)、复杂任务、复杂环境。是控制理论在深度上的挖掘。、复杂任务、复杂环境。是控制理论在深度上的挖掘。智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。处理系统。管理和控制一体化管理和控制一体化

45、:计算机集成制造系统，复杂控制系统。计算机集成制造系统，复杂控制系统。471.8 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计l控制系统的计算机辅助设计发展概况控制系统的计算机辅助设计发展概况 第一阶段：第一阶段：6070年代，采用一个或者几个控制系统计算年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。 第二阶段：第二阶段：7080年代，功能齐全的用于多变量系统设计年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。的计算机辅助设计软件包。 第三阶段：第三阶段：80中期开始，产生中期开始，产生仿真软件仿真软件MATLA

46、BMATLAB控制系控制系统计算机辅助设计仿真系统。统计算机辅助设计仿真系统。v控制系统计算机辅助设计的主要内容控制系统计算机辅助设计的主要内容 计算机辅助建立系统模型计算机辅助建立系统模型 数学模型表示方式之间的相互转换数学模型表示方式之间的相互转换 计算机辅助分析和设计控制系统计算机辅助分析和设计控制系统48 数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算机仿真软件机仿真软件MATLABMATLAB。它是一个功能十分强大的系。它是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境，已经成为一种实用

47、的全新计算机高级编的环境，已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。程语言。 在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLABMATLAB作为内容。作为内容。MATLABMATLAB更是研究和解决工程计更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课题和数学模型问题。题和数学模型问题。MATLABMATLAB仿真软件仿真软件49 第第

48、1章章 MATLAB操作基础操作基础1.1 MATLAB概述概述1.2 MATLAB的运行环境与安装的运行环境与安装1.3 MATLAB集成环境集成环境1.4 MATLAB帮助系统帮助系统1.1 MATLAB概述概述l1.1.1 MATLAB的发展的发展 1984年，年，MATLAB第第1版版(DOS版版) 1992年，年，MATLAB4.0版版 1994年，年，MATLAB 4.2版版 1997年，年，MATLAB 5.0版版 1999年，年，MATLAB 5.3版版 2000年，年，MATLAB 6.0版版 2001年，年，MATLAB 6.1版版 2002年，年，MATLAB 6.5版版

49、 2004年，年，MATLAB 7.0版版l1.1.2 MATLAB的主要功能的主要功能1数值计算和符号计算功能数值计算和符号计算功能MATLAB以矩阵作为数据操作的基本单位，以矩阵作为数据操作的基本单位，还提供了十分丰富的数值计算函数。还提供了十分丰富的数值计算函数。MATLAB和著名的符号计算语言和著名的符号计算语言Maple相相结合，使得结合，使得MATLAB具有符号计算功能。具有符号计算功能。2绘图功能绘图功能MATLAB提供了两个层次的绘图操作：一提供了两个层次的绘图操作：一种是对图形句柄进行的低层绘图操作，另种是对图形句柄进行的低层绘图操作，另一种是建立在低层绘图操作之上的高层绘一

50、种是建立在低层绘图操作之上的高层绘图操作。图操作。l3编程语言编程语言MATLAB具有程序结构控制、函数调用、具有程序结构控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特征，而且简单易学、编程效率高。言特征，而且简单易学、编程效率高。4MATLAB工具箱工具箱 MATLAB包含两部分内容：基本部分和包含两部分内容：基本部分和各种可选的工具箱。各种可选的工具箱。MATLAB工具箱分为两大类：功能性工具工具箱分为两大类：功能性工具箱和学科性工具箱。箱和学科性工具箱。l1.1.3 初识初识MATLAB例例1-1 绘制正弦曲线和余弦曲线。绘制正弦曲线和余弦曲

51、线。x=0:0.5:360*pi/180;plot(x,sin(x),x,cos(x);l例例1-2 求方程求方程 3x4+7x3 +9x2-23=0的全部根。的全部根。p=3,7,9,0,-23; %建立多项式系数向量建立多项式系数向量x=roots(p) %求根求根l例例1-3 求积分求积分quad(x.*log(1+x),0,1)l例例1-4 求解线性方程组。求解线性方程组。a=2,-3,1;8,3,2;45,1,-9; b=4;2;17; x=inv(a)*b 1.2 MATLAB的运行环境与安装的运行环境与安装l1.2.1 MATLAB的运行环境的运行环境硬件环境：硬件环境：(1)

52、CPU (2) 内存内存(3) 硬盘硬盘(4) CD-ROM驱动器和鼠标。驱动器和鼠标。软件环境：软件环境：(1) Windows 98/NT/2000 或或Windows XP(2) 其他软件根据需要选用其他软件根据需要选用l1.2.2 MATLAB的安装的安装安装安装MATLAB 6.5系统，需运行系统自带的系统，需运行系统自带的安装程序安装程序setup.exe，可以按照安装提示依，可以按照安装提示依次操作。次操作。1.3 MATLAB集成环境集成环境l1.3.1 启动与退出启动与退出MATLAB集成环集成环境境1MATLAB系统的启动系统的启动与一般的与一般的Windows程序一样，启

53、动程序一样，启动MATLAB系统有系统有3种常见方法：种常见方法：(1)使用使用Windows“开始开始”菜单。菜单。(2)运行运行MATLAB系统启动程序系统启动程序matlab.exe。(3) 利用快捷方式。利用快捷方式。l启动启动MATLAB后，将进入后，将进入MATLAB 6.5集集成环境。成环境。MATLAB 6.5集成环境包括集成环境包括MATLAB主窗口、命令窗口主窗口、命令窗口(Command Window)、工作空间窗口、工作空间窗口(Workspace)、命、命令历史窗口令历史窗口(Command History)、当前目录、当前目录窗口窗口(Current Directo

54、ry)和启动平台窗口和启动平台窗口(Launch Pad)。 当当MATLAB安装完毕安装完毕并首次启并首次启动时，展动时，展现在屏幕现在屏幕上的界面上的界面为为MATLAB的默认界的默认界面，如右面，如右图所示。图所示。l2MATLAB系统的退出系统的退出要退出要退出MATLAB系统，也有系统，也有3种常见方法：种常见方法：(1) 在在MATLAB主窗口主窗口File菜单中选择菜单中选择Exit MATLAB命令。命令。(2) 在在MATLAB命令窗口输入命令窗口输入Exit或或Quit命命令。令。(3) 单击单击MATLAB主窗口的主窗口的“关闭关闭”按钮。按钮。l1.3.2 主窗口主窗口

55、MATLAB主窗口是主窗口是MATLAB的主要工作界的主要工作界面。主窗口除了嵌入一些子窗口外，还主面。主窗口除了嵌入一些子窗口外，还主要包括菜单栏和工具栏。要包括菜单栏和工具栏。1菜单栏菜单栏在在MATLAB 6.5主窗口的菜单栏，共包含主窗口的菜单栏，共包含File、Edit、View、Web、Window和和Help 6个菜单项。个菜单项。l(1) File菜单项：菜单项：File菜单项实现有关文件的菜单项实现有关文件的操作。操作。(2) Edit菜单项：菜单项：Edit菜单项用于命令窗口菜单项用于命令窗口的编辑操作。的编辑操作。(3) View菜单项：菜单项：View菜单项用于设置菜单

56、项用于设置MATLAB集成环境的显示方式。集成环境的显示方式。l(4) Web菜单项：菜单项：Web菜单项用于设置菜单项用于设置MATLAB的的Web操作。操作。(5) Window菜单项：主窗口菜单栏上的菜单项：主窗口菜单栏上的Window菜单，只包含一个子菜单菜单，只包含一个子菜单Close all，用于关闭所有打开的编辑器窗口，包括用于关闭所有打开的编辑器窗口，包括M-file、Figure、Model和和GUI窗口。窗口。(6) Help菜单项：菜单项：Help菜单项用于提供帮助菜单项用于提供帮助信息。信息。l2工具栏工具栏MATLAB 6.5主窗口的工具栏共提供了主窗口的工具栏共提供

57、了10个个命令按钮。这些命令按钮均有对应的菜单命令按钮。这些命令按钮均有对应的菜单命令，但比菜单命令使用起来更快捷、方命令，但比菜单命令使用起来更快捷、方便。便。l1.3.3 命令窗口命令窗口命令窗口是命令窗口是MATLAB的主要交互窗口，用的主要交互窗口，用于输入命令并显示除图形以外的所有执行于输入命令并显示除图形以外的所有执行结果。结果。MATLAB命令窗口中的命令窗口中的“”为命令提示为命令提示符，表示符，表示MATLAB正在处于准备状态。在正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键后，命令提示符后键入命令并按下回车键后，MATLAB就会解释执行所输入的命令，并就会解释执行所输

58、入的命令，并在命令后面给出计算结果。在命令后面给出计算结果。l一般来说，一个命令行输入一条命令，命一般来说，一个命令行输入一条命令，命令行以回车结束。但一个命令行也可以输令行以回车结束。但一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如例如p=15,m=35p=15;m=35l如果一个命令行很长，一个物理行之内写如果一个命令行很长，一个物理行之内写不下，可以在第一个物理行之后加上不下，可以在第一个物理行之后加上3个小个小黑点并按下回车键，然后接着下一个物理黑点并按下回车键，

59、然后接着下一个物理行继续写命令的其他部分。行继续写命令的其他部分。3个小黑点称为个小黑点称为续行符，即把下面的物理行看作该行的逻续行符，即把下面的物理行看作该行的逻辑继续。辑继续。在在MATLAB里，有很多的控制键和方向键里，有很多的控制键和方向键可用于命令行的编辑。可用于命令行的编辑。l1.3.4 工作空间窗口工作空间窗口工作空间是工作空间是MATLAB用于存储各种变量和用于存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中显示工作空结果的内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、量类型说明，可对变量进行观

60、察、编辑、保存和删除。保存和删除。l1.3.5 当前目录窗口和搜索路径当前目录窗口和搜索路径1当前目录窗口当前目录窗口当前目录是指当前目录是指MATLAB运行文件时的工作运行文件时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数可以被运行或调用。件、函数可以被运行或调用。在当前目录窗口中可以显示或改变当前目在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件并提供录，还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能。搜索功能。将用户目录设置成当前目录也可使用将用户目录设置成当前目录也可使用cd命命令。例如，将用户目录令。例如，将用户目录c:mydir