控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計-MATLAB語言與應(yīng)用.ppt

2019/11/5,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用 東北大學(xué)信息學(xué)院,1,第 1 章 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計概述,薛定宇 著控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB 語言與應(yīng)用第二版，清華大學(xué)出版社 2006 CAI課件開發(fā)：鄂大志 、薛定宇,2019/11/5,2,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,本章主要內(nèi)容,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展綜述 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計語言環(huán)境綜述 仿真軟件的發(fā)展概況 MATLAB/Simulink與 CACSD工具箱 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域的新方法 本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,2019/11/5,3,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 技術(shù)的發(fā)展綜述,早期的控制系統(tǒng)設(shè)計可以由紙筆等工具容易地計算出來，如 Ziegler 與 Nichols 于1942年提出的 PID 經(jīng)驗公式就可以十分容易地設(shè)計出來。 隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之在計算機領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計 (computer-aided control system design , CACSD)方法。,2019/11/5,4,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。 早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國際上最權(quán)威的IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會的控制系統(tǒng)雜志(Control Systems Magazine)和IEEE學(xué)會的科研報告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？?近三十年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CACSD 軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB 語言出現(xiàn)以來，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計算機語言，成為控制界學(xué)者的首選。,2019/11/5,5,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,MATLAB 作為主要程序設(shè)計語言來介紹控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費在沒有太大價值的底層重復(fù)性機械性勞動上，這樣可以對控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計技術(shù)有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認(rèn)識偏差，提高控制器設(shè)計的效率和可靠性。,2019/11/5,6,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,子曰:“工欲善其事，必先利其器”。跟蹤國際最先 進(jìn)的 CACSD軟件環(huán)境及發(fā)展，以當(dāng)前國際上最流 行的 CACSD軟件環(huán)境MATLAB為基本出發(fā)點來系 統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計技術(shù)及軟件實 現(xiàn)，從而大大提高 CACSD算法研究與實際應(yīng)用的 效率和可靠性，這是本書的一個主要目的。,2019/11/5,7,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,1.2 控制系統(tǒng)計算機輔助 設(shè)計語言環(huán)境綜述,20世紀(jì)70年代： 1973年美國學(xué)者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一本專著，書中給出了許多當(dāng)時流行的控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設(shè)計的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應(yīng)、時間響應(yīng)、以及各種控制系統(tǒng)設(shè)計的子程序如：Luenberger 觀測器、Kalman 濾波等。,2019/11/5,8,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,瑞典 Lund 工學(xué)院教授 主持開發(fā)的一套交互式 CACSD 軟件 INTRAC 日本的古田勝久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持開發(fā)的DPACS-F 軟件等。 1980年美國學(xué)者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視 圖形交互式的模型輸入計算機仿真環(huán)境 Simulink 的出現(xiàn)為MATLAB應(yīng)用的進(jìn)一步推廣起到了積極性的推動作用。,2019/11/5,9,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,國際上控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計軟件的發(fā)展大致分為幾個階段：軟件包階段、交互式語言階段及當(dāng)前的面向?qū)ο蟮某绦颦h(huán)境階段 這些軟件包大都是由 FORTRAN 語言編寫的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和 MATLAB 相比，調(diào)用方法和使用明顯顯得麻煩、不便。,現(xiàn)在，MATLAB 已經(jīng)風(fēng)靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域最普及也是最受歡迎的首選計算機語言。,2019/11/5,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用 東北大學(xué)信息學(xué)院,10,20世紀(jì)70年代末期和80年代初期出現(xiàn)了很多實 用的具有良好人機交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。 正因為存在多種多樣的 CACSD 軟件，而它們之間又各有所長，所以在 CACSD 技術(shù)的發(fā)展過程中曾有過幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。,此外，以前 FORTRAN 語言繪圖并不是輕而易舉的事情，這就需要再調(diào)用相應(yīng)的軟件包來做進(jìn)一步處理。,2019/11/5,11,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,依作者之見，這些集成出來的軟件并不是很成功的，因為它們并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。 事實上，從那以后每個軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB 語言有了自己的仿真功能，Simulink 從某種意義上來講其功能和接口更優(yōu)于ACSL , MATLAB 和 Mathematica 之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢可以得到充分地互補。,2019/11/5,12,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,我國較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計成果是中科院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員等主持的國家自然科學(xué)基金重大項目開發(fā)的CADCSC軟件。 清華大學(xué)孫增圻、袁曾任教授的著作和程序。 以及北京化工學(xué)院吳重光、沈成林教授的著作和程序等。,2019/11/5,13,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,1.3 仿真軟件的發(fā)展概況,仿真技術(shù)引起該領(lǐng)域各國學(xué)者、專家們的重視，建立起國際的仿真委員會 (Simulation Councils Inc.， Sci )，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。 仿真語言CSMP (computersimulation modelling program) 應(yīng)該屬于建立在該標(biāo)準(zhǔn)上的最早的專用仿真語言。 中科院沈陽自動化研究所在1988年推出了該語言的推廣版本 CSMP-C。,2019/11/5,14,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,系統(tǒng)仿真領(lǐng)域有很多自己的特性，如果能選擇一種能反映當(dāng)今系統(tǒng)仿真領(lǐng)域最高水平，也是最實用的軟件或語言介紹仿真技術(shù)，使得讀者能直接采用該語言解決自己的問題，將是很有意義的。 實踐證明，MATLAB 就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經(jīng)使得它成為自動控制、航空航天、汽車設(shè)計等諸多領(lǐng)域仿真的首選語言。 所以在本書中將介紹基于 MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計方法及其應(yīng)用。,2019/11/5,15,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,1.4 MATLAB/Simulink 與 CACSD 工具箱,早期的 MATLAB 的功能十分簡單，當(dāng)它作為免費軟件出現(xiàn)以來，還是吸引了大批的使用者。 Cleve Moler 和 John Little 等人于1984年成立了一個名為 The MathWorks 的 公司 The MathWorks 公司于1992 年推出了具有劃時代意義的 MATLAB 4.0版本。,2019/11/5,16,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,MATLAB 目前已經(jīng)成為控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的 Windows 編程等便利工具。 此外，控制界很多學(xué)者將自己擅長的 CAD 方法用MATLAB 加以實現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的 MATLAB 配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設(shè)計工具箱、分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、以及仿真環(huán)境 Simulink。,2019/11/5,17,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,早期的 CACSD 研究側(cè)重于對控制系統(tǒng)的計算機輔助分析上，開始時人們利用計算機的強大功能把系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線繪制出來，并根據(jù)頻率響應(yīng)的曲線及自己的控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗用試湊的方法設(shè)計一個控制器，然后利用仿真的方法去觀察設(shè)計的效果。,1.5 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 領(lǐng)域的新方法,2019/11/5,18,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,除了經(jīng)典的多變量頻域方法之外，還出現(xiàn)了一些基于最優(yōu)化技術(shù)的控制方法，其中比較著名的是英國學(xué)者 John Edmunds 提出的多變量參數(shù)最優(yōu)化控制方法和英國學(xué)者 Zakian 提出的不等式控制方法等。 與此同時，美國學(xué)者似乎更習(xí)慣于狀態(tài)空間的表示與設(shè)計方法。此方法往往又稱為時域方法 (time-domain)，首先在線性二次型指標(biāo)下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預(yù)下(如人工選擇加權(quán)矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)觀測器新的控制概念。,2019/11/5,19,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現(xiàn)了各種各樣的控制方法，如各種 最優(yōu)控制的方案. 隨著控制器的階次越來越高，還出現(xiàn)了很多的控制器降階方法來實現(xiàn)設(shè)計出的控制器。 線性矩陣不等式 (linear matrix inequalities) 及分析與綜合等控制系統(tǒng)設(shè)計方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過計算機這樣的現(xiàn)代化工具是不能完成的。,2019/11/5,20,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,分?jǐn)?shù)階控制領(lǐng)域也出現(xiàn)了很多新的研究成果，是控制理論的一個較新的研究領(lǐng)域。 教授和合作者對傳統(tǒng)的，也是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的 PID 控制器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了自整定 PID 控制器更加切合于過程控制的實際應(yīng)用。,2019/11/5,21,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,國際上出版了關(guān)于 MATLAB及 CACSD的專著和教材，但它們大都是MATLAB的入門教材，并沒有真正深入、系統(tǒng)地探討CACSD 技術(shù)及 MATLAB實現(xiàn)，將MATLAB的強大功能與控制領(lǐng)域成果有機結(jié)合是本書力圖解決的主要問題。,2019/11/5,22,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,第1章 對國際上最流行的一些 CACSD 專用軟件作簡要的介紹，闡釋了為什么應(yīng)該采用 MATLAB 作為主要計算機語言的原因。 第2章 系統(tǒng)地介紹 MATLAB 編程的基礎(chǔ)。,1.6 本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,2019/11/5,23,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,第3章 介紹在 MATLAB 環(huán)境中如何表示各種各樣的線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。 第4章 介紹線性控制系統(tǒng)的基本分析方法。 第5章 介紹基于 Simulink 的非線性系統(tǒng)建模方法與技巧。 第6章 介紹各種經(jīng)典的控制系統(tǒng)設(shè)計方法。,2019/11/5,24,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用,第7章 介紹各類系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計方法。 第8章 介紹自適應(yīng)控制與智能控制系統(tǒng)的建模、仿真與設(shè)計問題。 第9章 基于 dSPACE 和 Quanser 軟硬件系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的辦實物仿真及實時控制方法，為控制理論及方法的工程應(yīng)用打好基礎(chǔ)。,2019/11/