控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計概述

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控制系統(tǒng)仿真與CAD薛定宇東北大學(xué)信息學(xué)院2/3/20231控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院本課程教材薛定宇著控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計---MATLAB語言與應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，2006國家級精品課程教材國家級精品教材國家級十一五規(guī)劃教材教育部自動化專業(yè)教指委規(guī)劃教材英文版：SIAM出版社，LinearFeedbackControl,AnalysisandDesignwithMATLAB，2007，TWMResearch2008控制學(xué)科推薦參考書2/3/20232控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用課程內(nèi)容第一章控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計概述第二章MATLAB語言程序設(shè)計基礎(chǔ)第三章線性控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第四章線性控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助分析第五章Simulink

在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用第六章控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計第七章魯棒控制與魯棒控制器設(shè)計第八章自適應(yīng)與智能控制系統(tǒng)設(shè)計第九章半實物仿真與實時控制2/3/20233控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用第1

章

控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計概述薛定宇著.控制系統(tǒng)計算機(jī)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):解志斌、薛定宇2/3/20234控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院本章主要內(nèi)容控制系統(tǒng)理論概述控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展綜述控制系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域的新方法2/3/20235控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用控制學(xué)科的前景控制將是21世紀(jì)的物理學(xué)(Controlwillbethephysicsofthe21stcentury)國際著名學(xué)者、哈佛大學(xué)的何毓琦(LarryYu-ChiHo)教授JohnDoyle教授，在第40屆IEEE決策與控制年會(CDC)全會開篇報告2/3/20236控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用控制學(xué)科的發(fā)展“控制”一詞應(yīng)用廣泛，本課：工業(yè)控制、反饋控制自動控制系統(tǒng)的早期應(yīng)用可以追溯到兩千多年前古埃及水鐘控制與中國漢代指南車控制1788年英國科學(xué)家JamesWatt為內(nèi)燃機(jī)設(shè)計的飛錘調(diào)速器（flyballgovernor）可以認(rèn)為是最早的反饋控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用由于調(diào)速器出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，所以出現(xiàn)了Maxwell對微分方程系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論研究(1868)2/3/20237控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用Routh(1874)和Hurwitz(1895)等人的穩(wěn)定性研究成果控制器的設(shè)計問題是由Minorsky在1922開始研究的，其研究成果可以看成是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的PID控制器的前身。1942年，Ziegler與Nichols提出了調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)的方法，其方法對當(dāng)今的PID控制器整定仍有影響。要求的提高：魯棒控制器設(shè)計、智能控制器設(shè)計，……等2/3/20238控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用控制理論的發(fā)展簡述基于微分方程及其穩(wěn)定性的理論研究Harris于1942年提出的傳遞函數(shù)的概念首先將通信學(xué)科的頻域技術(shù)移植到了控制領(lǐng)域，構(gòu)成了控制系統(tǒng)頻域法理論研究的基礎(chǔ)系統(tǒng)的頻域分析技術(shù)是在Nyquist(1932年)、Bode(1945年)等早期的關(guān)于通信學(xué)科的頻域研究工作的基礎(chǔ)上建立起來的Evens在1946年提出的線性反饋系統(tǒng)的根軌跡分析技術(shù)是那個時代的另一個里程碑2/3/20239控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用“現(xiàn)代”控制理論的三個代表前蘇聯(lián)學(xué)者Pontryagin(1956)極大值原理美國學(xué)者Bellman的動態(tài)規(guī)劃(1957年)美國學(xué)者Kalman的狀態(tài)空間分析技術(shù)(1960年)線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器(Kalman1959)、最優(yōu)狀態(tài)觀測器(Kalman1960)及LQG控制器2/3/202310控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的發(fā)展?fàn)顟B(tài)控制理論狀態(tài)空間理論（1960’s-1980’s）自適應(yīng)控制多變量系統(tǒng)頻域分析魯棒控制智能控制。。。。。。眾多其他分支狀態(tài)空間理論現(xiàn)在不宜稱為“現(xiàn)代控制理論”2/3/202311控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用美國MIT模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)模型辨識瑞典學(xué)者KarlAstrom的自校正控制器英國學(xué)者PeterGauthroup英國學(xué)者Wellstead英國學(xué)者DavidClarke的廣義預(yù)測控制器自適應(yīng)控制2/3/202312控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用多變量控制英國學(xué)派HHRosenbrock

的逆Nyquist

陣列UMISTALGMacFarlane特征軌跡法CambridgeDavidMayne，序貫回路閉合方法，ImperialDavidOwens，并矢方法Sheffield以色列學(xué)者Horowitz的QFT（QuatitativeFeedbackTheory）2/3/202313控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用魯棒控制LQG/LTR基于范數(shù)的魯棒控制（Zames,1980,Doyleetal,1992）H2魯棒控制Hinf魯棒控制、最優(yōu)控制線性矩陣不等式（LMI）最優(yōu)化方法分?jǐn)?shù)階控制(fractionalordercontrol)區(qū)間控制(intervalcontrol)2/3/202314控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用智能控制模糊邏輯與模糊邏輯控制專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制預(yù)測控制自學(xué)習(xí)控制，迭代自學(xué)習(xí)算法無模型控制器自整定PID控制器2/3/202315控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.1控制系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)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(jī)輔助設(shè)計(computer-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。2/3/202316控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用

控制系統(tǒng)的計算機(jī)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(ControlSystemsMagazine)和IEEE學(xué)會的科研報告集(ProceedingsofIEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？陙?，隨著計算機(jī)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(jī)語言，成為控制界學(xué)者的首選。2/3/202317控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用為什么選擇MATLAB？MATLAB已經(jīng)成為事實上的科學(xué)運算、仿真和CACSD的標(biāo)準(zhǔn)語言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(jī)械性勞動上對問題有整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認(rèn)識偏差提高控制器設(shè)計的效率和可靠性子曰:“工欲善其事，必先利其器”2/3/202318控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MAD過程Mad＝modelling，analysis，design重復(fù)mad過程，設(shè)計出控制器系統(tǒng)建模系統(tǒng)分析系統(tǒng)設(shè)計2/3/202319控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.2CACSD環(huán)境綜述20世紀(jì)70年代：1973年美國學(xué)者M(jìn)elsa

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(jī)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。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。2/3/202320控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1980年美國學(xué)者CleveMoler

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(jī)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?，F(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(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域最普及也是最受歡迎的首選計算機(jī)語言。2/3/202321控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用國際上控制系統(tǒng)計算機(jī)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。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。2/3/202322控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用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(jī)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。2/3/202323控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB語言與應(yīng)用東北大學(xué)信息學(xué)院英國UMIST的ECSTASY項目：集成MATLAB，F(xiàn)ramemaker，ACSL,Mathematica，LaTeX等諸多軟件。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。2/3/202324控制系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)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?！犊刂葡到y(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計》清華大學(xué)出版社1988以及北京化工學(xué)院吳重光、沈成林教授的著作和程序等?！犊刂葡到y(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計》機(jī)械工業(yè)出版社，19862/3/202325控制系統(tǒng)計算機(jī)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(SimulationCouncilsInc.，Sci)，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。仿真語言CSMP(computersimulationmodellingprogram)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。2/3/202326控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用ACSL語言，現(xiàn)在仍有可用版本和用戶群MATLAB/Simulink

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。其他語言如法國的Scilab：免費、開源、和MATLAB有相似性、兼容性功能弱于MATLAB/Simulink2/3/202327控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用1.4MATLAB/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。CleveMoler

和JohnLittle等人于1984年成立了一個名為TheMathWorks

的公司TheMathWorks

公司于1992年推出了具有劃時代意義的MATLAB4.0版本。2/3/202328控制系統(tǒng)計算機(jī)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、μ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。2/3/202329控制系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)輔助分析上，開始時人們利用計算機(jī)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(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域的新方法2/3/202330控制系統(tǒng)計算機(jī)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JohnEdmunds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。2/3/202331控制系統(tǒng)計算機(jī)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(linearmatrixinequalities)及μ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(jī)這樣的現(xiàn)代化工具是不能完成的。2/3/202332控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用智能控制系統(tǒng)的設(shè)計（模糊邏輯控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、學(xué)習(xí)控制等）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。Astrom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。2/3/202333控制系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)語言的原因。第2章系統(tǒng)地介紹MATLAB編程的基礎(chǔ)。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。1.6本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容2/3/202334控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用第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。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)。2/3/202335控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用本課程的互聯(lián)網(wǎng)資源TheMathWorks公司官方網(wǎng)站產(chǎn)品與全套工具箱手冊下載第三方工具箱下載

產(chǎn)品在中國的代理MathWorks中國：http://北京九州恒潤公司：http://2/3/202336控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB大觀園(薛定宇維護(hù))本書及相關(guān)內(nèi)容資源

MATLAB與應(yīng)用論壇(薛定宇維護(hù))博士家園論壇網(wǎng)站(各類數(shù)學(xué)問題)http://一些高校的bbs清華大學(xué)、哈工大、上海交大、西安交大等2/3/202337控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用MATLAB控制功能演示后續(xù)內(nèi)容將詳細(xì)介紹下面的演示實例，這里只給出必要的演示，側(cè)重于演示MATLAB功能與簡潔命令：系統(tǒng)模型的輸入與轉(zhuǎn)換線性系統(tǒng)計算機(jī)輔助分析穩(wěn)定性、Bode圖、根軌跡等復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真系統(tǒng)設(shè)計2/3/202338控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用例1線性系統(tǒng)的模型表示與轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)模型模型1MATLAB語句：2/3/202339控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計－MATLAB語言與應(yīng)用模型2MATLAB語句對應(yīng)的狀態(tài)方程是什么？在采樣周期T=0.1s下，離散化模型是什么？在PI控制器作用下，單