MATLAB and control.ppt

1、MATLAB 语言在控制系统研究中的应用,东北大学 信息科学与工程学院 人工智能与机器人研究所 薛定宇,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,2,内容简介,MATLAB 语言简介 控制原理课程中MATLAB语言应用 PID控制器设计 最优控制器设计 模糊控制：控制器设计实例 结束语：学习 MATLAB 的方法,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,3,MATLAB 语言简介,MATLAB 的出现和发展 Cleve Moler 教授 在 New Mexico 大学教授线性代数课程 构思了 MATLAB （Matrix Laboratory） 1980

2、年免费版本 1984 年成立 MathWorks 公司 1991 年的 SimuLAB (Simulink) 推出 2004 年最新的 7.0 版，当前的SP2 丰富的资源 (工具箱 + 互联网资源),MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,4,MATLAB 特色,求解数学问题 工程数学所有分支问题 绘图功能 二维、三维、四维和图像、影像 系统仿真 任意复杂的非线性系统，Simulink及模块集 控制中的应用 各种各样的工具箱,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,5,MATLAB 的数据结构,复数矩阵 符号变量 数和变量的精确表示 用于公式推导、解析

3、运算,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,6,MATLAB 语言及科学可视化,科学可视化 (Visualization) 二维图形 一般数据、已知方程（隐函数） 其他表示形式：对数坐标、极坐标 三维图形 四维图形 图像输入与处理 影像输入与处理,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,7,二维图形绘制,由数据绘制直角坐标图 同时绘制多条曲线,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,8,隐函数图,隐函数,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,9,三维曲线,三维曲线的绘制，由参数方程计算数据，用plot3函数绘图

4、,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,10,三维曲面,数学函数 步骤： 生成网格数据，计算、绘图 三维曲面其他表示,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,11,四维图绘制,三维动画 MathWorks 图标 偏微分方程的解 运行 切面图 三维空间网格 用颜色表示函数值,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,12,图像、影像及处理,图像读入 图像边界提取 影像处理 MATLAB 7.01 演示1 (全景图) 演示2 (影像动态边缘检测),MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,13,MATLAB 语言在控制课

5、程中的应用,建模与模型转换 系统模型的输入 系统模型转换 结构图化简 控制系统分析 稳定性分析、 时域分析 频域分析、根轨迹绘制,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,14,线性控制系统模型的表示,传递函数模型 传递函数两种方法 tf() 函数方法：G=tf(num,den) 算子方法： s=tf(s); G=. 用数学方式即可 可以扩展该函数，表示离散、多变量、延迟,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,15,例：传递函数输入 MATLAB 语句 例：另一传递函数,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,16,系统的互连,串联、

6、并联可以由 * 和 + 直接计算 反馈连接： feedback(G1,G2) 符号表示的系统，* 和 + 反馈,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,17,框图模型化简 MATLAB求解语句,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,18,求解结果,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,19,连续系统稳定性如何分析？,例 判定单位负反馈系统的稳定性 Routh判据? MATLAB方法,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,20,离散系统稳定性如何判定？,例 Jury判据？,MATLAB 语言在控制中的应用 东北

7、大学信息学院 薛定宇,21,系统的分析,阶跃响应 MATLAB语句,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,22,频域分析,Nyquist 图、Bode 图和 Nichols 图 Nyquist 图的缺陷 MATLAB直观求解 离散系统同样处理,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,23,根轨迹分析,临界增益 MATLAB求解方法,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,24,离散系统根轨迹如何绘制？,离散系统模型 MATLAB求解,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,25,PID 控制器设计,PID控制器简

8、介 PID控制器模型 PID控制器变形 PID控制器Simulink实现 PID控制器的整定算法 Ziegler-Nichols整定算法 其他整定算法 PID控制器设计程序,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,26,PID控制器,PID控制基本结构 PID控制器数学结构,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,27,PID控制器的各种形式,标准PID控制器 另一种写法 频域表示,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,28,其他PID控制器结构,近似模型 离散控制器 离散控制器,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院

9、薛定宇,29,怎么设计PID控制器参数？,参考受控对象模型 可以采用成型方法，如Ziegler-Nichols方法,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,30,MATLAB设计步骤,识别模型的 参数 由经验公式计算出控制器参数 构造PID控制器 闭环系统仿真 问题： 有非线性如何处理？ 设计方法不合理如何改进？,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,31,PID控制器设计举例,受控对象 参数识别 控制器设计与仿真,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,32,其他受控对象如何解决？,参考文献 ODwyer A. Handbook

10、of PI and PID controller tuning rules. London: Imperial College Press, 2003 例 PID控制器设计程序,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,33,最优控制问题 MATLAB 求解,传统最优控制方法 线性二次型控制器LQR 其他控制算法 如何定义实用的跟踪控制指标？ OCD程序及其应用 最优控制器设计 基于OCD的控制器设计 如何改进控制器效果,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,34,什么控制器最优？,传统方法：LQR方法 实际应用中不一定实用 R,Q如何选择？非线性如何考

11、虑？ 历史局限性、可解性,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,35,一种实用的最优指标,响应曲线示意图 ITAE指标,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,36,最优控制程序 OCD,受控对象 Simulink 框图 (c6mopt1.mdl),MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,37,存在问题和解决方法,问题 能否找到全局最优解？ 能否找到出示可行解？ 解决方法：遗传算法 例：不稳定受控对象 Simulink建模：c8munsta.mdl,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,38,模糊控制：一个应用实例,模糊控制，模糊逻辑 模糊化、模糊推理、解模糊,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,39,模糊推理表 仿真模型文件名：c8mfzpd.mdl,MATLAB 语言在控制中的应用 东北大学信息学院 薛定宇,40,参考文献,薛定宇，控制系