matlab_applications.ppt

1、2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide1(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,讲座MATLAB语言应用,东北大学信息学院薛定宇,课件下载：matlab_world密码：matlab,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide2(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,讲座内容,MATLAB语言在相关课程中的应用自动控制原理现代控制理论电机拖动系统电子线路计算机控制一般系统的计算机仿真数学问题的非传统解法神经网络进化算法,专门课程控制系统仿真与CAD,2020/6/

2、18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide3(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,进一步参考资料,薛定宇控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用第2版，清华大学出版社，2006，国家级精品教材，国家级精品课程教材薛定宇、陈阳泉基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用第2版，清华大学出版社，2011,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide4(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,一、自动控制原理,MATLAB是理想的软实验工具，可以求解更难解（手工不能求解）的

3、控制问题模型表示传递函数模型化简控制系统稳定性分析系统时域分析系统频域分析根轨迹绘制非线性系统与控制器设计,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide5(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,I.1控制系统的传递函数模型,标准型MATLAB表示方法（一）MATLAB表示方法（二）定义算子：,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide6(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,传递函数输入举例,例1传递函数输入MATLAB命令例2MATLAB命令,2020/6/18Tue

4、sday,2011-4-19,09:04:50,Slide7(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,I.2模型化简,控制系统工具箱方法采用*,+,feedback函数描述串并反馈连接符号运算方法定义Laplace算子s*,+可以直接使用反馈可以编写MATLAB重载函数，置于sym目录，可以直接使用,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide8(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,模型化简举例,复杂模型MATLAB推导,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide9(o

5、f39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,I.3控制系统稳定性分析,自动控制理论介绍的方法Routh判据间接方法，复杂系统实际应用不宜使用自控原理的方法不能忽视基于MATLAB的直接方法eig函数与pzmap函数举例,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide10(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,I.4线性系统的分析,反馈系统模型，开环模型，单位负反馈根轨迹rlocus频域分析bode，nyquist，nichols时域分析，阶跃响应step,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04

6、:50,Slide11(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,II.现代控制理论,状态方程描述状态方程标准型实现、不同模型的相互转换状态转移矩阵、状态方程解析解状态方程的性质分析可控性、可观测性、稳定性状态反馈极点配置最优二次型设计Riccati方程求解,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide12(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,II.1状态方程的数学模型,数学模型MATLAB表示传递函数到状态方程的转换ss函数例：前面的传递函数标准型转换，canon函数,2020/6/18Tuesday,201

7、1-4-19,09:04:50,Slide13(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,II.2状态转移矩阵,求状态转移矩阵数学表示MATLAB求解举例,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide14(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,II.3状态方程解析解,解析解数学描述MATLAB求解,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide15(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,状态方程求解初值、输入,2020/6/18Tuesday,2011-

8、4-19,09:04:50,Slide16(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,II.4状态方程的性质,可控性可观测性稳定性Lyapnov定理Lyapunov方程求解MATLAB求解,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide17(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,II.5状态反馈控制器设计,状态反馈闭环模型状态反馈向量闭环模型极点配置，期望极点向量MATLAB设计二次型最优控制器设计加权矩阵MATLAB设计,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide18(of

9、39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,III.计算机控制、自动控制系统,Z变换与离散系统模型系统的连续化和离散化离散系统控制器设计直流拖动系统的双闭环控制器设计交流调速系统,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide19(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,III.1离散系统描述,差分方程Z传递函数MATLAB描述方法1:方法2:,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide20(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,III.2其他计算机控制系统问

10、题,连续化与离散化离散化连续化离散系统分析：step，rlocus，bode等函数控制器设计：简单语句实现调速系统的仿真方法试凑法调整控制器参数利用MATLAB最优化技术设计最优控制器,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide21(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.系统仿真技术,一般非线性系统建模与仿真多领域物理建模与仿真（新版本MATLAB）多领域建模语言Simscape各种模块集多领域建模与仿真举例电路与电子线路机械系统电力电子与系统图像、影像与实时图像处理,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,0

11、9:04:50,Slide22(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.1非线性系统建模,非线性系统模型建模过程：c4mmod1c.mdl模块复制，连接，修改参数系统仿真与仿真结果验证,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide23(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.2Simscape与多领域物理建模,Simscape语言Simscape基础模块库FoundationLibrary电、磁、力学、气动、液压、热学其他组成部分（统一仿真框架）SimElectronicsSimDrivelineSi

12、mMechanicsSimHydraulicsandSimPowerSystems,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide24(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.3电路仿真,电路图仿真模型c7mele1.mdl适合于多回路问题电路方程,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide25(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.4电子线路仿真,并非电子线路最好的仿真语言电路图与专业电子线路仿真语言的接口Spice语言仿真模型c7mtri1.mdl,2020

13、/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide26(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.5机械系统仿真,力学系统模型仿真模型c7mdamp1.mdl机械系统建模复杂机械系统建模：c7mdamp2.mdl,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide27(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,IV.6影像处理,MATLAB/Simulink图像处理ImageProcessingToolboxVideoandImageProcessingBlockset边缘提取示例Simuli

14、nk模型：c8mvip4.mdl摄像头实时输入ImageAcquisitionToolbox建模举例：c8mvip8.mdl,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide28(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,V.神经网络及数据逼近,神经元基本概念神经网络示意图常用神经网络前馈型神经网络径向基函数网络Hopfield网络神经网络建模步骤与MATLAB实现神经网络数据逼近事例,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide29(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,V.1

15、神经网络基础,模拟生物神经网络进行计算、近似等神经元结构神经网络：神经元构造的网络适合数据拟合的神经网络类型前馈神经网络（反向传播BP算法）径向基网络(RBF网络),2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide30(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,V.2前馈型神经网络示意图,节点：神经元，层：输入、隐、输出层权值,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide31(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,V.3建立神经网络模型的步骤,建立网络模型BP网络建模RBF网络建

16、立：参数训练神经网络的泛化,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide32(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,V.4神经网络数据拟合举例,生成数据神经网络建模选择2个隐层，隐层节点选择为5,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide33(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,RBF网络逼近二元问题:BP网络效果不佳RBF逼近,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide34(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学

17、信息学院,VI.进化算法与全局最优化求解,全局优化的概念：非凸优化问题进化类算法遗传算法GeneticAlgorithmGA粒子群优化ParticleSwarmOptimizationPSO模拟退火算法SimulatedAnnealingSA蚁群算法AntColonyACMATLAB实现底层实现、工具箱使用,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide35(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,VI.1非凸函数优化举例,函数最大值MATLAB绘图传统优化算法中初值的影响如何解决全局最优化问题,2020/6/18Tuesday,201

18、1-4-19,09:04:50,Slide36(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,VI.2遗传算法,进化论：适者生存、优胜劣汰JohnHolland,MichiganUniversity,1975并行全局算法种群、个体染色体编码遗传、交叉、变异可用MATLAB工具MathWorks遗传算法与直接搜索工具箱GAOT：GeneticAlgorithmOptimizationToolbox,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide37(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,遗传算法举例,单变量函数的MATLAB描述GAOT遗传算法求解MATLAB遗传算法工具箱求解（反复求解）,2020/6/18Tuesday,2011-4-19,09:04:50,Slide38(of39)MATLAB语言与科学运算课程模板东北大学信息学院,