第 1 章 控制系统计算机辅助设计概述

1、2020/7/4，MATLAB语言及其在控制系统计算机辅助设计中的应用，东北大学信息学院，第一章，控制系统计算机辅助设计概述，第二版MATLAB语言及其在控制系统计算机辅助设计中的应用，清华大学出版社，2006CAI课件开发：薛，2020/7/4，2，MATLAB语言及其在控制系统计算机辅助设计中的应用，本章主要内容，控制系统计算机辅助设计技术发展概述， 仿真软件开发概述，MATLAB/Simulink和CACSD工具箱，控制系统计算机辅助设计领域的新方法，本书的基本结构和内容，2020年7月4日，3，MATLAB语言和计算机辅助设计控制系统的应用，1.1控制系统计算机辅助设计技术的发展概况，

2、早期的控制系统设计可以很容易地用纸和笔等工具计算，例如，齐格勒和尼科尔斯在1942年提出的PID经验公式可以很容易地设计。 随着控制理论的迅速发展，用纸、笔、计算器等简单的操作工具很难达到预期的效果，并且在计算机领域得到了迅速的发展，因此控制系统的计算机辅助控制系统设计(CACSD)方法是很自然的。2020/7/4，4，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用，目前控制系统计算机辅助设计技术的发展已经达到了很高的水平，并受到了控制领域的广泛关注。早在1982年12月和1984年12月，世界上控制系统领域最具权威的美国电气和电子工程师学会控制系统杂志和美国电气和电子工程师协会在过去30年里

3、首次分别在CACSD上发表专刊。随着计算机技术的飞速发展，各种CACSD软件频繁出现，种类繁多。自MATLAB语言出现以来，一直受到控制领域学生和研究者的欢迎，成为控制领域最流行、最有影响力的通用计算机语言和控制领域学者的首选。2020/7/4/5，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。以MATLAB为主要编程语言，介绍了控制系统计算机辅助设计的算法，使读者把注意力集中在控制系统的理论和方法上，而不是把主要精力花在没有多大价值的底层重复性机械工作上，从而更全面地了解控制系统的计算机辅助设计技术，避免2020/7/4/6“只看树不看林”的误解。 MATLAB语言及计算机辅助控制系统设计

4、的应用，副标题为：“一个工人要想做好一件事，首先必须磨利他的工具”。 跟踪世界上最先进的CACSD软件环境和发展，以世界上最流行的CACSD软件环境MATLAB为基本出发点，系统地介绍了计算机辅助设计技术和控制系统的软件实现，从而大大提高了CACSD算法研究和实际应用的效率和可靠性，这也是本书的主要目的。1.2控制系统计算机辅助设计语言环境概述，70年代：1973年，美国学者Melsa教授和Jones博士出版了一本专著，其中给出了当时计算机辅助分析和控制系统设计的许多流行的源程序，包括计算系统根轨迹、频域响应、时间响应和控制系统设计的各种子程序，如：2020/7/4/8。 MATLAB语言和计

5、算机辅助设计控制系统的应用，一套由瑞典隆德理工学院教授开发的交互式计算机辅助控制系统设计软件，以及由日本KatsuhisaFuruta教授开发的DPACS-F软件。 1980年，美国学者克莱夫莫勒等人提出的交互式MATLAB语言逐渐引起了控制领域研究者的关注。图形交互模型输入计算机仿真环境Simulink的出现，对MATLAB的进一步应用起到了积极的推动作用。，2020/7/4/9，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。世界控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互语言阶段和当前面向对象的程序环境阶段。这些软件包主要由用FORTRAN语言编写的源程序组成，为用

6、户提供了更好的界面。然而，与MATLAB相比，调用方法和使用明显麻烦和不便。现在，MATLAB已经风靡全球，成为控制系统仿真和计算机辅助设计领域中最流行的计算机语言。2020/7/4，MATLAB语言与控制系统的计算机辅助设计应用，东北大学信息学院，20世纪70年代10月至80年代初，出现了许多具有良好人机交互功能的实用软件，如MATLAB、INTRAC和CTRL-C等。由于CACSD软件种类繁多，各有所长，所以在CACSD技术的发展过程中，已经有了几种尝试来整合几种常见的软件。另外，以前用FORTRAN语言绘图不是一件容易的事，所以有必要调用相应的软件包进行进一步处理。2020/7/4/11

7、，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。根据作者的观点，这些集成软件并不十分成功，因为它们没有达到预期的效果。事实上，从那以后，每个软件的功能都得到了明显的改善。MATLAB语言有自己的仿真功能。从某种意义上说，Simulink比ACSL有更好的功能和接口，MATLAB和Mathematica也有更好的接口，它们的优势可以得到充分的补充。2020/7/4/12，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。中国最有影响的控制系统仿真和计算机辅助设计的成果是中国科学院系统科学研究所韩菁清研究员主持下的中国国家自然科学基金委开发的计算机辅助设计软件。清华大学的孙增琪和袁曾经是教授的作品

8、和程序。以及北京化工学院吴崇光教授和沈教授的工作和程序。2020/7/4/13，控制系统的MATLAB语言和计算机辅助设计的应用，1.3仿真软件的发展概况，仿真技术引起了世界各国学者和专家的关注，并成立了国际仿真委员会(Sci)，1967年通过了仿真语言规范。CSMP(计算机仿真建模程序)应该属于基于该标准的最早的专用仿真语言。中国科学院沈阳自动化研究所于1988年推出了CSMP-C。2020/7/4/14，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。系统仿真领域有其自身的许多特点。如果你能选择一种能反映当今系统仿真领域最高水平的软件或语言，同时也是最实用的引入仿真技术的软件或语言，那么这

9、将是很有意义的，这样读者就可以直接用这种语言来解决他们自己的问题。实践证明，MATLAB就是这样一个仿真软件。由于其出色的功能，它已经成为自动控制、航空航天、汽车设计等许多领域的首选仿真语言。因此，本书将介绍基于MATLAB/Simulink的控制系统仿真设计方法及其应用。2020/7/4/15，MATLAB语言和计算机辅助设计控制系统的应用，1.4MATLAB/Simulink和CACSD工具箱，早期MATLAB的功能非常简单，自从它作为自由软件出现以来就吸引了大量的用户。克莱夫莫勒、约翰利特尔和其他人在1984年成立了一家名为TheMathWorks的公司，TheMathWorks公司在1

10、992年推出了划时代的MATLAB4.0版本。2020/7/4/16，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。MATLAB已经成为世界控制领域最流行的软件。除了传统的交互式编程外，它还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的窗口编程等便捷工具。此外，许多控制领域的学者利用MATLAB实现了他们擅长的CAD方法，出现了大量的MATLAB工具箱。如最流行的控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、分析与综合工具箱、神经网络工具箱、优化工具箱、信号处理工具箱和仿真环境Simulink。2020/7/4/17，MATLAB语言及计算机辅助设计控

11、制系统的应用。早期的CACSD研究集中于控制系统的计算机辅助分析。起初，人们利用计算机强大的功能绘制系统的频率响应曲线，根据频率响应曲线和自己的控制系统设计经验，通过反复试验设计控制器，然后通过仿真观察设计效果。1.5控制系统计算机辅助设计领域的新方法，2020/7/4/18，MATLAB语言和控制系统计算机辅助设计的应用，除了经典的多变量频域方法外，还有一些基于优化技术的控制方法，其中最著名的是英国学者JohnEdmunds提出的多变量参数优化控制方法和英国学者Zakian提出的不等式控制方法。同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表现和设计方法。这种方法通常被称为时域方法。首先，在线性二次型

12、指标下引入最优控制的概念，在用户干预下(如手动选择加权矩阵)获得一些最优控制效果。这种控制通常需要引入新的状态反馈或状态观测器的控制概念。2020/7/4/19，MATLAB语言及计算机辅助设计控制系统的应用。从控制系统鲁棒性的角度出发，出现了各种控制方法，如各种最优控制方案。随着控制器的阶数越来越高，也有许多控制器降阶方法来实现所设计的控制器。线性矩阵不等式、分析与综合等控制系统设计方法在控制领域也有很大的影响，但这些方法离不开计算机等现代工具。2020/7/4/20，MATLAB语言和计算机辅助设计控制系统的应用，分数控制领域出现了许多新的研究成果，这是控制理论的一个比较新的研究领域。教授

13、和合作者对工业上应用最广泛的传统PID控制器进行了改进，提出自校正PID控制器更适合过程控制的实际应用。2020/7/4/21，MATLAB语言和计算机辅助控制系统设计的应用，关于MATLAB和CACSD的专著和教材已在国际上出版，但大部分都是MATLAB的入门教材，对CACSD技术及其实现还没有进行深入系统的讨论。本书试图解决的主要问题是将MATLAB强大的功能与控制领域的成就相结合。2020/7/4/22，MATLAB语言与控制系统计算机辅助设计的应用。第一章简要介绍了一些世界上最流行的CACSD专用软件，并解释了为什么要用MATLAB作为主要的计算机语言。第二章系统介绍了MATLAB编程

14、的基础。1.6本书的基本结构和内容，2020/7/4/23，MATLAB语言和计算机辅助设计控制系统的应用，第3章介绍了如何在MATLAB环境下表达线性系统的各种数学模型。第四章介绍了线性控制系统的基本分析方法。第五章介绍了基于Simulink的非线性系统建模方法和技巧。第六章介绍了各种经典控制系统的设计方法。2020/7/4/24，MATLAB语言与控制系统的计算机辅助设计应用，第7章介绍了各种系统鲁棒控制器的设计方法。第八章介绍了自适应控制和智能控制系统的建模、仿真和设计。第九章介绍了基于dSPACE和Quanser软硬件系统的控制系统的物理仿真和实时控制方法，为控制理论和方法的工程应用奠定了良好的基础。，2020/7/4/25，控制系统计算机辅助设计的MAT