第1章MATLAB操作基礎(chǔ)

1、MATLAB語言楊成慧 副教授 主講電氣工程學(xué)院 自動(dòng)化教研室 自動(dòng)化專業(yè)2016.8l課程編號(hào)：1800X106l適用專業(yè)： 自動(dòng)化l主教材：l1楊成慧，孫永龍，許燕，陳楊成慧，孫永龍，許燕，陳英英MALTAB基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)教程北京：基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)教程北京：北京大學(xué)出版社北京大學(xué)出版社2014.1l2劉國良，楊成慧MALTAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程西安：西安電子科技大學(xué)出版社2013.8l 輔助教材： l 1劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第2版）北京：高等教育出版社2013.1l 實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、實(shí)踐）教材：l 1楊成慧，孫永龍，許燕，陳英MALTAB基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)教程北京：北京大學(xué)出版社2014.1l 課

2、程性質(zhì)：學(xué)科平臺(tái)選修課l 參考書目: l 1張賢明.MATLAB教材.南京：東南大學(xué)出版社.2010.9。l 2張平.大學(xué)本科教材計(jì)算機(jī)教學(xué)叢書:MATLAB基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007.7。l 推薦刊物： l 1. 計(jì)算機(jī)仿真Computer Simulationl 2. 計(jì)算機(jī)工程Computer Engineeringl 3. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONl 相關(guān)網(wǎng)站：l 1.中國自動(dòng)化學(xué)會(huì) http:/ 2.中國指揮與控制學(xué)會(huì) http:/ 作為控制理論與控制工程及計(jì)算機(jī)仿真的強(qiáng)有力工具，近年來MATLAB/Simulink

3、 得到了業(yè)界的一致認(rèn)可，在控制系統(tǒng)仿真、分析與設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用，其自身也因此得到了迅速發(fā)展，功能不斷擴(kuò)充。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，必將對(duì)控制理論、技術(shù)、系統(tǒng)與應(yīng)用提出越來越多、越來越高的要求，因此有必要進(jìn)一步加強(qiáng)、加深對(duì)這個(gè)方面的研究，MATLAB/Simulink為此提供了可能，實(shí)踐已表明它的確是一個(gè)功能強(qiáng)大、形象逼真、便于操作的軟件工具。l 學(xué) 時(shí)：36學(xué)時(shí)，其中理論課18學(xué)時(shí)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)18學(xué)時(shí)l 學(xué) 分：2分，其中理論課1學(xué)分、實(shí)驗(yàn)（含上機(jī)、實(shí)踐）1學(xué)分（注：理論教學(xué)12-18學(xué)時(shí)計(jì)1學(xué)分，實(shí)驗(yàn)、上機(jī)、實(shí)踐教學(xué)18時(shí)計(jì)1學(xué)分）l 先修課程： 電路分析、數(shù)字

4、電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、檢測與變換技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、現(xiàn)代控制理論l 授課方式： 課堂講授+上機(jī)指導(dǎo)l 課程考核: l 平時(shí)成績： 20 % ，考核方式：考勤、作業(yè)、課堂提問，（其中：考勤30%，作業(yè)30%，課堂提問40%）l 期中成績： 20 %，考核方式：隨堂測試l 實(shí)驗(yàn)成績： 20 %，考核方式：平時(shí)實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、實(shí)踐）態(tài)度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)踐總結(jié)等）兩部分，（其中：平時(shí)實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、實(shí)踐）態(tài)度30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)踐總結(jié)等）70%。無單獨(dú)實(shí)驗(yàn)）l 期末成績： 40 %，考核方式：開卷考查l （克拉瑪依）課程考核: l 平時(shí)成績： 20 %，考核方式：考勤、作業(yè)、提問（考勤30%，作業(yè)

5、30%，提問40%）l 期中成績： 20 %，考核方式：隨堂測試l 實(shí)驗(yàn)成績： 20 %，考核方式：平時(shí)實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、實(shí)踐）態(tài)度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)踐總結(jié)等）兩部分，（其中：平時(shí)實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、實(shí)踐）態(tài)度30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)踐總結(jié)等）70%。無單獨(dú)實(shí)驗(yàn)）l 期末成績： 40 %，考核方式：開卷考查l 第一節(jié)： MATLAB與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念（0.5學(xué)時(shí)）l 一、MATLAB概述；l 二、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、反饋控制系統(tǒng)品質(zhì)要求。l 第二節(jié)：MATLAB的開發(fā)環(huán)境與自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(0.5學(xué)時(shí))l 一、MATLAB的開發(fā)環(huán)境；l 二、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和連續(xù)

6、系統(tǒng)、恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)。l 第三節(jié)：MATLAB集成環(huán)境與自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真基本概念（0.5學(xué)時(shí)）l 一、MATLAB集成環(huán)境；l 二、計(jì)算機(jī)仿真基本概念、自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真。 l 第四節(jié)：MATLAB幫助系統(tǒng)與控制系統(tǒng)仿真（0.5學(xué)時(shí)）l 一、MATLAB幫助系統(tǒng)；l 二、自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真基本過程、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢。l考核要求：l1. 記憶MATLAB基本知識(shí)和自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念及其分類l2. 理解自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真基本概念l3簡單應(yīng)用MATLAB集成環(huán)境各個(gè)窗口l4. 綜合應(yīng)用命令窗口和各個(gè)基本菜單的調(diào)用1.1 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念 被控對(duì)象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的

7、受控客體被控對(duì)象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體 被控量：控制對(duì)象要實(shí)現(xiàn)的物理量被控量：控制對(duì)象要實(shí)現(xiàn)的物理量 如冰箱溫度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、飛機(jī)姿態(tài)如冰箱溫度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、飛機(jī)姿態(tài) 角、船的航角、船的航跡跡 、電網(wǎng)的電壓、電網(wǎng)的電壓 、生產(chǎn)過程中的壓力、流量、生產(chǎn)過程中的壓力、流量 、溫度、溫度 、濕度等。濕度等。應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、汽車、電廠鍋爐、：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、汽車、電廠鍋爐、 釀酒過程、航空航天等各種機(jī)器或生產(chǎn)過程控制以及軍事釀酒過程、航空航天等各種機(jī)器或生產(chǎn)過程控制以及軍事領(lǐng)域。領(lǐng)域。自動(dòng)控制的定義：自動(dòng)控制的定義：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控是指

8、在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）制裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。91.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)：為了達(dá)到某一目的，由一些對(duì)象相互作用，相互制系統(tǒng)：為了達(dá)到某一目的，由一些對(duì)象相互作用，相互制 約，組成一個(gè)具有一約，組成一個(gè)具有一 定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的整體整體?？刂葡到y(tǒng)：指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系控制系統(tǒng)：指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系 統(tǒng)，由被控對(duì)象和控制

9、器構(gòu)成的整體。統(tǒng)，由被控對(duì)象和控制器構(gòu)成的整體。自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，在很大程度上取決于系統(tǒng)中的控制器自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，在很大程度上取決于系統(tǒng)中的控制器為了產(chǎn)生控制作用而必須接收的信息，這個(gè)信息有兩個(gè)可能為了產(chǎn)生控制作用而必須接收的信息，這個(gè)信息有兩個(gè)可能的來源：的來源：1）來自系統(tǒng)外部，即由系統(tǒng)輸入端輸入的參考輸入信號(hào)。）來自系統(tǒng)外部，即由系統(tǒng)輸入端輸入的參考輸入信號(hào)。2）來自被控對(duì)象的輸出端，即反映被控對(duì)象的行為或狀態(tài)）來自被控對(duì)象的輸出端，即反映被控對(duì)象的行為或狀態(tài)的信息。的信息。10 開環(huán)控制開環(huán)控制按控制方式按控制方式 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 （反饋控制）（反饋控制） 復(fù)合控制復(fù)合控制 按

10、對(duì)象方式按對(duì)象方式運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制 （電機(jī)調(diào)速、機(jī)器人）（電機(jī)調(diào)速、機(jī)器人）過程控制過程控制 （鍋爐過程、化工過程）（鍋爐過程、化工過程）把從被控對(duì)象輸出端獲得的信息通過中間環(huán)節(jié)（稱把從被控對(duì)象輸出端獲得的信息通過中間環(huán)節(jié)（稱為反饋環(huán)節(jié)）再送回控制器的輸入端的過程，稱為為反饋環(huán)節(jié)）再送回控制器的輸入端的過程，稱為反饋反饋。傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號(hào)。是否采用反饋，傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號(hào)。是否采用反饋，對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)（即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)（即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）影響很大。影響很大。11開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)Open-loop Control

11、System定義：系統(tǒng)的控制輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)的控制輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道， 這種控制方式稱為開環(huán)控制這種控制方式稱為開環(huán)控制 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測量，也不在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。控制器控制器對(duì)象或過程對(duì)象或過程輸入量輸入量輸出量輸出量圖圖1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖開環(huán)控

12、制系統(tǒng)方塊圖（按輸入量控制方式按輸入量控制方式）（被控量）12功率功率放大放大SM負(fù)載負(fù)載+u0nua圖圖1-2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)13+-+ugudoMiuin(a) 原理圖原理圖R 放大放大 器器 負(fù)載負(fù)載 給定信號(hào)給定信號(hào)ug被控量被控量 擾動(dòng)擾動(dòng)inui(b) 方塊圖方塊圖 電壓電壓 放大放大 電阻電阻 R 觸發(fā)觸發(fā) 器器 晶闡管可晶闡管可 控整流器控整流器 電動(dòng)電動(dòng) 機(jī)機(jī)前饋控制前饋控制(開環(huán)開環(huán))（按擾動(dòng)量控制方式按擾動(dòng)量控制方式）(參考輸入量)這種控制方式的前提條件：是干擾能夠被測量這種控制方式的前提條件：是干擾能夠被測量應(yīng)用：交通紅綠燈、自動(dòng)洗衣機(jī)、生產(chǎn)流水線應(yīng)

13、用：交通紅綠燈、自動(dòng)洗衣機(jī)、生產(chǎn)流水線14閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)Closed-loop Control Systeml 閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方式?？刂品绞健 負(fù)反饋負(fù)反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為負(fù)反饋信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為負(fù)反饋 。l 反饋控制反饋控制采用采用負(fù)反饋負(fù)反饋(正反饋較少正反饋較少)并利用偏差并利用偏差進(jìn)行控制的過程進(jìn)行控制的過程 （利用偏差修正偏差）。（利用偏差修正偏差）。l 由于引入了被反饋量的反饋

14、信息，整個(gè)控制過程成由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制 。15熱力系統(tǒng)的人工反饋控制蒸蒸汽汽冷水熱水溫度計(jì) 熱力系統(tǒng)的人工反饋控制排排水水16自自動(dòng)動(dòng)控控制制器器熱熱水水冷冷水水蒸蒸汽汽溫溫度度測測量量裝裝置置排排水水熱熱力力系系統(tǒng)統(tǒng)的的自自動(dòng)動(dòng)反反饋饋控控制制控控制制閥閥熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制17閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 抑制干擾能力強(qiáng)抑制干擾能力強(qiáng) 對(duì)參數(shù)變化不敏感對(duì)參數(shù)變化不敏感 能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果參數(shù)選取增

15、加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果參數(shù)選取 不恰當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)振蕩。不恰當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)振蕩。 所以，所以，參數(shù)選取參數(shù)選取是控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必是控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必 須解決的重要問題。須解決的重要問題。18l 反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。 l 應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)種非工程范疇內(nèi)，諸如

16、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制原理的主要研究對(duì)象反饋控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制原理的主要研究對(duì)象19反饋在系統(tǒng)可以分正反饋和負(fù)反饋反饋在系統(tǒng)可以分正反饋和負(fù)反饋u負(fù)反饋主要通過輸入、輸出之間的差值作用于系統(tǒng)的其他部負(fù)反饋主要通過輸入、輸出之間的差值作用于系統(tǒng)的其他部分。這個(gè)分。這個(gè)差值差值反映了我們要求的輸出和實(shí)際的輸出之間的差別。反映了我們要求的輸出和實(shí)際的輸出之間的差別?？刂破鞯目刂撇呗允遣煌p小這個(gè)差值，以使差值變小。例如，控制器的控制策略是不停減小這個(gè)差值，以使差值變小。例如，人打算拿桌上的盒子。目測距離，確定方向，移動(dòng)，不斷測

17、距人打算拿桌上的盒子。目測距離，確定方向，移動(dòng)，不斷測距離，腦判斷以消除偏差離，腦判斷以消除偏差 u正反饋在自動(dòng)控制系統(tǒng)中主要是用來對(duì)小的變化進(jìn)行正反饋在自動(dòng)控制系統(tǒng)中主要是用來對(duì)小的變化進(jìn)行放大放大，從而可以使系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。而且正反饋可以與從而可以使系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。而且正反饋可以與負(fù)反饋配合使用，以使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。負(fù)反饋配合使用，以使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。 例如，鈾例如，鈾235在中在中子轟擊下，通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)中等質(zhì)子數(shù)的核，并放出子轟擊下，通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)中等質(zhì)子數(shù)的核，并放出23個(gè)中個(gè)中子和大量能量。放出的中子有的則繼續(xù)引起重核裂變。這樣就子和大量能量。放出的中子有的

18、則繼續(xù)引起重核裂變。這樣就會(huì)使系統(tǒng)中的作用越來越劇烈。所以一般在核反應(yīng)堆中通過控會(huì)使系統(tǒng)中的作用越來越劇烈。所以一般在核反應(yīng)堆中通過控制反應(yīng)堆中鉛棒與反應(yīng)物接觸的面積來控制核反應(yīng)的劇烈程度制反應(yīng)堆中鉛棒與反應(yīng)物接觸的面積來控制核反應(yīng)的劇烈程度 20閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖輸入量輸入量控制器控制器控制對(duì)象控制對(duì)象測量元件測量元件輸出量輸出量反饋回路反饋回路被控量被控量干擾量干擾量21M給 定 裝 置放 大 器電 機(jī)減 速 器調(diào) 壓 器 220熱 電 偶電 阻 絲 放大器期望爐溫電動(dòng)機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫爐熱電偶給定電壓-ee給定電壓給定電壓熱電偶熱電偶輸出電壓輸出電壓22當(dāng)爐內(nèi)實(shí)際溫度與給定

19、電位計(jì)表征的希望高度當(dāng)爐內(nèi)實(shí)際溫度與給定電位計(jì)表征的希望高度一致時(shí)，熱電偶輸出電壓與給定電壓相等，電一致時(shí)，熱電偶輸出電壓與給定電壓相等，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)相對(duì)平衡。當(dāng)爐溫因擾動(dòng)出動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)相對(duì)平衡。當(dāng)爐溫因擾動(dòng)出現(xiàn)偏差時(shí)（如爐溫低于希望值），偏差電壓經(jīng)現(xiàn)偏差時(shí)（如爐溫低于希望值），偏差電壓經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將調(diào)壓器電刷向上移放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將調(diào)壓器電刷向上移動(dòng)，使電阻絲兩端電壓增大，從而使?fàn)t溫升高，動(dòng)，使電阻絲兩端電壓增大，從而使?fàn)t溫升高，趨于希望值。趨于希望值。 工作原理：工作原理：23閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 l 開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)

20、系，沒有修開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值（步進(jìn)場合，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值（步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。 l 閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動(dòng)（負(fù)載變化）對(duì)被控制量產(chǎn)生的變化）、外擾動(dòng)（負(fù)載變化）對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成

21、本高（價(jià)格成倍增加，車床、洗衣機(jī)、小轎車）；高（價(jià)格成倍增加，車床、洗衣機(jī)、小轎車）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。 24復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) Compound Control Systeml 定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。 是構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，是構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式， 使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。l 復(fù)合控制的兩種基本形式復(fù)合控制的兩種基本形式 按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制25圖圖

22、1.3 干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量輸入量控制器控制器控制對(duì)象控制對(duì)象測量元件測量元件輸出量輸出量反饋回路反饋回路被控量被控量干擾量干擾量前饋補(bǔ)償前饋補(bǔ)償按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制26圖圖1.4 輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量輸入量控制器控制器控制對(duì)象控制對(duì)象測量元件測量元件輸出量輸出量反饋回路反饋回路被控量被控量干擾量干擾量前饋補(bǔ)償前饋補(bǔ)償按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制27l 用用“”號(hào)代表比較元件，號(hào)代表比較元件，“”號(hào)代表兩者符號(hào)相反。信號(hào)代表兩者符號(hào)相反。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)

23、輸出端的傳輸通路稱前向通路；號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。 圖圖1.5 閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成串聯(lián)校正（補(bǔ)償）元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象反饋校正元件測量元件被控量1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量比較元件給定裝置負(fù)反饋28給定裝置：給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號(hào)（量

24、）（即參考量或期望值）產(chǎn)生給定值或輸入信號(hào)（量）（即參考量或期望值）測量元件：測量元件：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號(hào)測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號(hào) 各種傳感器：測速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。各種傳感器：測速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。比較元件：比較元件：把測量元件檢測的實(shí)際值（被控量）與給定元件把測量元件檢測的實(shí)際值（被控量）與給定元件 給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。 如差動(dòng)放大器、自整角機(jī)。如差動(dòng)放大器、自整角機(jī)。放大元件：放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大

25、，用來推動(dòng)執(zhí)行元件 去控制被控對(duì)象，如放大器、晶閘管。去控制被控對(duì)象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。 如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開關(guān)。如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開關(guān)。補(bǔ)償（校正）元件：補(bǔ)償（校正）元件：結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能?；蚍答伒姆绞竭B接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。29 1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求（自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求（三個(gè)方面）三個(gè)方面）l 穩(wěn)定性（先決條件）穩(wěn)定性

26、（先決條件） 系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。一切自動(dòng)控制系統(tǒng)必須滿足的最基本原來平衡狀態(tài)的能力。一切自動(dòng)控制系統(tǒng)必須滿足的最基本要求。要求。由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)決定與外界因素?zé)o關(guān)。決定與外界因素?zé)o關(guān)。30 穩(wěn)定的控制系統(tǒng)在階躍信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，其響穩(wěn)定的控制系統(tǒng)在階躍信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，其響應(yīng)的暫態(tài)過程應(yīng)該是應(yīng)的暫態(tài)過程應(yīng)該是收斂收斂的。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，則在階躍的。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，則在階躍信號(hào)下或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，相應(yīng)的幅值振蕩可能成為信號(hào)下或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，相應(yīng)的幅值振蕩可能成為

27、等幅等幅振蕩振蕩，甚至成為振幅逐漸增大的，甚至成為振幅逐漸增大的發(fā)散振蕩發(fā)散振蕩，發(fā)生這種情況的，發(fā)生這種情況的系統(tǒng)稱為系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)。 系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面的含義。系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面的含義。（1）系統(tǒng)穩(wěn)定，稱為絕對(duì)穩(wěn)定，即通常所說的穩(wěn)定性。）系統(tǒng)穩(wěn)定，稱為絕對(duì)穩(wěn)定，即通常所說的穩(wěn)定性。（2）輸出響應(yīng)振蕩的強(qiáng)烈程度，稱為相對(duì)穩(wěn)定性。）輸出響應(yīng)振蕩的強(qiáng)烈程度，稱為相對(duì)穩(wěn)定性。例如系統(tǒng)是絕對(duì)穩(wěn)定的，但是在階躍信號(hào)作用下，響應(yīng)振蕩例如系統(tǒng)是絕對(duì)穩(wěn)定的，但是在階躍信號(hào)作用下，響應(yīng)振蕩很強(qiáng)烈，而且振蕩的衰減很慢，則該系統(tǒng)雖然屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，很強(qiáng)烈，而且振蕩的衰減很慢，則該系統(tǒng)雖然屬于穩(wěn)

28、定系統(tǒng)，但相對(duì)穩(wěn)定性差。但相對(duì)穩(wěn)定性差。31l 過渡過程性能（快速性要求）過渡過程性能（快速性要求）：系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力，后其運(yùn)動(dòng)性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力，由由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)決定與外界因素?zé)o關(guān)。決定與外界因素?zé)o關(guān)。 描述描述過渡過程性能可以用過渡過程性能可以用平穩(wěn)性平穩(wěn)性和和快速性快速性加以衡量，加以衡量，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。如：上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、一般稱為動(dòng)態(tài)性能。如：上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量。超調(diào)量。l 穩(wěn)態(tài)誤差（控制精度或準(zhǔn)確性要求）穩(wěn)態(tài)誤差（控制精度或準(zhǔn)確性要求）：過渡過

29、程結(jié)束過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)后的輸出響應(yīng) 系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差叫穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出量之差叫穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。輸出跟隨參考輸入的精度越高。 簡單地說：穩(wěn)、快、準(zhǔn)簡單地說：穩(wěn)、快、準(zhǔn)321-5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l 按工作原理分類按工作原理分類 開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制l 按數(shù)學(xué)模型分類按數(shù)學(xué)模型分類定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)u當(dāng)系統(tǒng)中各

30、元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性當(dāng)系統(tǒng)中各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能以線性微分方程或差分方程來描述時(shí)，這種系統(tǒng)稱為線性能以線性微分方程或差分方程來描述時(shí)，這種系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)突出的特點(diǎn)就是滿足系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)突出的特點(diǎn)就是滿足疊加定理疊加定理，所以，所以在判別系統(tǒng)是線性或非線性時(shí)，可運(yùn)用疊加定理來判斷。在判別系統(tǒng)是線性或非線性時(shí)，可運(yùn)用疊加定理來判斷。u系統(tǒng)中只要存在一個(gè)元件為非線性元件，系統(tǒng)的微分方程就系統(tǒng)中只要存在一個(gè)元件為非線性元件，系統(tǒng)的微分方程就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。由于非由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)稱為非線性

31、系統(tǒng)。由于非線性系統(tǒng)的多樣性，疊加原理也不成立，研究起來也不方便，線性系統(tǒng)的多樣性，疊加原理也不成立，研究起來也不方便，所以只有在一定條件下用所以只有在一定條件下用近似分析近似分析的方法來處理的方法來處理。 33v按系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)特征分類按系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)特征分類 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)u連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用微分方程微分方程來描述的。來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實(shí)際連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃?/p>

32、工程上稱為模擬量，多數(shù)實(shí)際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用和來表示。物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用和來表示。控制系統(tǒng)中只要存在一處的信號(hào)脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)控制系統(tǒng)中只要存在一處的信號(hào)脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程差分方程來描述，來描述，實(shí)際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號(hào)的并不多見，往實(shí)際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號(hào)的并不多見，往往是控制上的需要，將連續(xù)系統(tǒng)離散化，即采樣。采樣過程通往是控制上的需要，將連續(xù)系統(tǒng)離散化，即采樣。采樣過程通常是通過采樣開關(guān)把連續(xù)的模擬量變?yōu)槊}沖序列，這

33、樣的系統(tǒng)常是通過采樣開關(guān)把連續(xù)的模擬量變?yōu)槊}沖序列，這樣的系統(tǒng)一般又稱為采樣控制系統(tǒng)。一般又稱為采樣控制系統(tǒng)。34v按輸入量變化規(guī)律的功能分類按輸入量變化規(guī)律的功能分類 恒值控制系統(tǒng)：恒值控制系統(tǒng)： 如溫度控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等如溫度控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等 隨動(dòng)控制系統(tǒng)：隨動(dòng)控制系統(tǒng)： 如、函數(shù)記錄儀、高射炮等如、函數(shù)記錄儀、高射炮等 程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 如數(shù)控機(jī)床、交通燈系統(tǒng)等如數(shù)控機(jī)床、交通燈系統(tǒng)等u 隨動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是輸入給定信號(hào)的變化規(guī)律是事先隨動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是輸入給定信號(hào)的變化規(guī)律是事先不能確定的不能確定的隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)，這類系統(tǒng)的任務(wù)是使輸出快速、準(zhǔn)確，這類系統(tǒng)

34、的任務(wù)是使輸出快速、準(zhǔn)確地跟隨給定信號(hào)的變化而變化，故稱作隨動(dòng)控制系統(tǒng)。地跟隨給定信號(hào)的變化而變化，故稱作隨動(dòng)控制系統(tǒng)。u程序控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)不同之處就是它的給定輸入程序控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)不同之處就是它的給定輸入不是隨機(jī)不可知，而是按不是隨機(jī)不可知，而是按事先預(yù)定事先預(yù)定的規(guī)律變化。這類系統(tǒng)的規(guī)律變化。這類系統(tǒng)往往適用于特定的生產(chǎn)工藝或工業(yè)過程，按所需要的控制往往適用于特定的生產(chǎn)工藝或工業(yè)過程，按所需要的控制給定輸入，要求輸出按預(yù)定的規(guī)律變化。給定輸入，要求輸出按預(yù)定的規(guī)律變化。35 1. 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 圖圖1.61.6（a a）是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。）是一個(gè)液位控制

35、系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過比較實(shí)際液位與在這里，自動(dòng)控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動(dòng)閥門的開度，希望液位，并通過調(diào)整氣動(dòng)閥門的開度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。 圖圖1.61.6（b b）是該控制系統(tǒng)的方塊圖。）是該控制系統(tǒng)的方塊圖。1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例自動(dòng)控制系統(tǒng)示例36H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動(dòng)動(dòng)閥閥門門圖1.6 （a） 液位控制系統(tǒng)37 希望液位實(shí)實(shí)際際液液位位放放大大元元件件氣氣動(dòng)動(dòng)閥閥門門水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II

36、） 控制系統(tǒng)方塊圖控制器：比較、放大的作用控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件浮子：液面高度的反饋元件 Q2Q2為系統(tǒng)的干擾量為系統(tǒng)的干擾量氣動(dòng)閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：水箱被控對(duì)象：水箱圖1.6 （b） 液位控制系統(tǒng)38眼 睛 測 量 裝 置 （ 浮 子 ） 手 氣 動(dòng) 閥 門頭 腦 控 制 器 ， 比 較 、 計(jì) 算希希望望液液位位實(shí)實(shí)際際液液肌肌肉肉、手手閥閥 門門水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相相對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的人人工工操操縱縱系系統(tǒng)統(tǒng)方方塊塊圖圖 腦腦392.2.液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制閥控制閥減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)

37、Q2Q1cifSM40電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)+電壓電壓放大放大u0nuaueut功率功率放大放大負(fù)載負(fù)載SMTG3.電動(dòng)機(jī)速度電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)414.電動(dòng)機(jī)速度電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合復(fù)合控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)+電壓電壓放大放大+u0nuaueutRi電壓電壓放大放大功率功率放大放大負(fù)載負(fù)載SMTG421.7 自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡史自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡史l 人類對(duì)控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識(shí)，并利用它創(chuàng)人類對(duì)控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識(shí)，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如造許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。┰。?，神廟（開關(guān)門

38、）英雄裝置。中國能工巧匠（，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠（技師、技師、工程師工程師 、科學(xué)家、科學(xué)家 ）：張衡的地震方向測定儀，蘇頌的水運(yùn)）：張衡的地震方向測定儀，蘇頌的水運(yùn)儀象臺(tái)。儀象臺(tái)。v1932年，年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。v1868年，英國年，英國J.C 麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1892年李雅普諾夫用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法年李雅普諾夫用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法論述

39、了穩(wěn)定性問題，至今仍然是分析穩(wěn)定性的重要方法。論述了穩(wěn)定性問題，至今仍然是分析穩(wěn)定性的重要方法。v1787年，年，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。43v從從1980現(xiàn)在，智能控制理論集中于現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C控制系統(tǒng)及其相控制系統(tǒng)及其相關(guān)課題。關(guān)課題。v20世紀(jì)世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。提出并完善了根軌跡法。v1948年，美國數(shù)學(xué)家年，美國數(shù)學(xué)家N.Wi

40、ener出版出版Cybernetics是一個(gè)是一個(gè)控制科學(xué)里程碑?？刂瓶茖W(xué)里程碑?？刂普摽刂普摰母睒?biāo)題是關(guān)于人、動(dòng)物及其通的副標(biāo)題是關(guān)于人、動(dòng)物及其通訊的科學(xué)。訊的科學(xué)。v20世紀(jì)世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。v20世紀(jì)世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。v從從19601980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)，

41、確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。44l 古典（經(jīng)典）控制理論（古典（經(jīng)典）控制理論（17871960）主要解決單輸入單輸出定?？刂葡到y(tǒng)分析設(shè)計(jì)問題。主要解決單輸入單輸出定?？刂葡到y(tǒng)分析設(shè)計(jì)問題。主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。析方法。此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)，對(duì)非線性系此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)，對(duì)非線性系統(tǒng)，分析時(shí)采用的相平面法一般也不超過兩個(gè)變量，經(jīng)典統(tǒng)，分析時(shí)采用的相平面法一般也不超過兩個(gè)變量，經(jīng)典控制理

42、論能夠較好地解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題?？刂评碚撃軌蜉^好地解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題。這一時(shí)期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于這一時(shí)期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于1945年提出了簡便而實(shí)用的伯德圖法。年提出了簡便而實(shí)用的伯德圖法。1948年，伊文思提出了年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。直觀而又形象的根軌跡法。45l現(xiàn)代（近代）控制理論（現(xiàn)代（近代）控制理論（19601980） 經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間法。用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間

43、法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時(shí)變的。系統(tǒng)具有高精度和高效定常的，也可以是非線性的、時(shí)變的。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。能的特點(diǎn)。 這一時(shí)期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（這一時(shí)期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman）及卡爾曼（及卡爾曼（R.E.Kalman，1930）等人。龐特里亞金于）等人。龐特里亞金于1961年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)化原則；年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)化原則；1959年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線性濾波器和估

44、計(jì)器的論文，年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線性濾波器和估計(jì)器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。即所謂著名的卡爾曼濾波。46l智能控制理論（智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對(duì)象以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對(duì)象(車間、工廠、集車間、工廠、集 團(tuán)團(tuán))、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。是控制理論在深度上的挖掘。、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。是控制理論在深度上的挖掘。智能控制是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳智能控制是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)。管理和控制一體化管理和控制一體化

45、:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)。471.8 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)l控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展概況控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展概況 第一階段：第一階段：6070年代，采用一個(gè)或者幾個(gè)控制系統(tǒng)計(jì)算年代，采用一個(gè)或者幾個(gè)控制系統(tǒng)計(jì)算程序組成的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。程序組成的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 第二階段：第二階段：7080年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 第三階段：第三階段：80中期開始，產(chǎn)生中期開始，產(chǎn)生仿真軟件仿真軟件MATLA

46、BMATLAB控制系控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。v控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)模型 數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)48 數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)采用目前世界上最為流行的計(jì)算數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)采用目前世界上最為流行的計(jì)算機(jī)仿真軟件機(jī)仿真軟件MATLABMATLAB。它是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系。它是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實(shí)用

47、的全新計(jì)算機(jī)高級(jí)編的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實(shí)用的全新計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言。程語言。 在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLABMATLAB作為內(nèi)容。作為內(nèi)容。MATLABMATLAB更是研究和解決工程計(jì)更是研究和解決工程計(jì)算問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來解決一些實(shí)際課算問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來解決一些實(shí)際課題和數(shù)學(xué)模型問題。題和數(shù)學(xué)模型問題。MATLABMATLAB仿真軟件仿真軟件49 第第

48、1章章 MATLAB操作基礎(chǔ)操作基礎(chǔ)1.1 MATLAB概述概述1.2 MATLAB的運(yùn)行環(huán)境與安裝的運(yùn)行環(huán)境與安裝1.3 MATLAB集成環(huán)境集成環(huán)境1.4 MATLAB幫助系統(tǒng)幫助系統(tǒng)1.1 MATLAB概述概述l1.1.1 MATLAB的發(fā)展的發(fā)展 1984年，年，MATLAB第第1版版(DOS版版) 1992年，年，MATLAB4.0版版 1994年，年，MATLAB 4.2版版 1997年，年，MATLAB 5.0版版 1999年，年，MATLAB 5.3版版 2000年，年，MATLAB 6.0版版 2001年，年，MATLAB 6.1版版 2002年，年，MATLAB 6.5版版

49、 2004年，年，MATLAB 7.0版版l1.1.2 MATLAB的主要功能的主要功能1數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能MATLAB以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，還提供了十分豐富的數(shù)值計(jì)算函數(shù)。還提供了十分豐富的數(shù)值計(jì)算函數(shù)。MATLAB和著名的符號(hào)計(jì)算語言和著名的符號(hào)計(jì)算語言Maple相相結(jié)合，使得結(jié)合，使得MATLAB具有符號(hào)計(jì)算功能。具有符號(hào)計(jì)算功能。2繪圖功能繪圖功能MATLAB提供了兩個(gè)層次的繪圖操作：一提供了兩個(gè)層次的繪圖操作：一種是對(duì)圖形句柄進(jìn)行的低層繪圖操作，另種是對(duì)圖形句柄進(jìn)行的低層繪圖操作，另一種是建立在低層繪圖操作之上的高層繪一

50、種是建立在低層繪圖操作之上的高層繪圖操作。圖操作。l3編程語言編程語言MATLAB具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特征，而且簡單易學(xué)、編程效率高。言特征，而且簡單易學(xué)、編程效率高。4MATLAB工具箱工具箱 MATLAB包含兩部分內(nèi)容：基本部分和包含兩部分內(nèi)容：基本部分和各種可選的工具箱。各種可選的工具箱。MATLAB工具箱分為兩大類：功能性工具工具箱分為兩大類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。箱和學(xué)科性工具箱。l1.1.3 初識(shí)初識(shí)MATLAB例例1-1 繪制正弦曲線和余弦曲線。繪制正弦曲線和余弦曲

51、線。x=0:0.5:360*pi/180;plot(x,sin(x),x,cos(x);l例例1-2 求方程求方程 3x4+7x3 +9x2-23=0的全部根。的全部根。p=3,7,9,0,-23; %建立多項(xiàng)式系數(shù)向量建立多項(xiàng)式系數(shù)向量x=roots(p) %求根求根l例例1-3 求積分求積分quad(x.*log(1+x),0,1)l例例1-4 求解線性方程組。求解線性方程組。a=2,-3,1;8,3,2;45,1,-9; b=4;2;17; x=inv(a)*b 1.2 MATLAB的運(yùn)行環(huán)境與安裝的運(yùn)行環(huán)境與安裝l1.2.1 MATLAB的運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行環(huán)境硬件環(huán)境：硬件環(huán)境：(1)

52、CPU (2) 內(nèi)存內(nèi)存(3) 硬盤硬盤(4) CD-ROM驅(qū)動(dòng)器和鼠標(biāo)。驅(qū)動(dòng)器和鼠標(biāo)。軟件環(huán)境：軟件環(huán)境：(1) Windows 98/NT/2000 或或Windows XP(2) 其他軟件根據(jù)需要選用其他軟件根據(jù)需要選用l1.2.2 MATLAB的安裝的安裝安裝安裝MATLAB 6.5系統(tǒng)，需運(yùn)行系統(tǒng)自帶的系統(tǒng)，需運(yùn)行系統(tǒng)自帶的安裝程序安裝程序setup.exe，可以按照安裝提示依，可以按照安裝提示依次操作。次操作。1.3 MATLAB集成環(huán)境集成環(huán)境l1.3.1 啟動(dòng)與退出啟動(dòng)與退出MATLAB集成環(huán)集成環(huán)境境1MATLAB系統(tǒng)的啟動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)與一般的與一般的Windows程序一樣，啟

53、動(dòng)程序一樣，啟動(dòng)MATLAB系統(tǒng)有系統(tǒng)有3種常見方法：種常見方法：(1)使用使用Windows“開始開始”菜單。菜單。(2)運(yùn)行運(yùn)行MATLAB系統(tǒng)啟動(dòng)程序系統(tǒng)啟動(dòng)程序matlab.exe。(3) 利用快捷方式。利用快捷方式。l啟動(dòng)啟動(dòng)MATLAB后，將進(jìn)入后，將進(jìn)入MATLAB 6.5集集成環(huán)境。成環(huán)境。MATLAB 6.5集成環(huán)境包括集成環(huán)境包括MATLAB主窗口、命令窗口主窗口、命令窗口(Command Window)、工作空間窗口、工作空間窗口(Workspace)、命、命令歷史窗口令歷史窗口(Command History)、當(dāng)前目錄、當(dāng)前目錄窗口窗口(Current Directo

54、ry)和啟動(dòng)平臺(tái)窗口和啟動(dòng)平臺(tái)窗口(Launch Pad)。 當(dāng)當(dāng)MATLAB安裝完畢安裝完畢并首次啟并首次啟動(dòng)時(shí)，展動(dòng)時(shí)，展現(xiàn)在屏幕現(xiàn)在屏幕上的界面上的界面為為MATLAB的默認(rèn)界的默認(rèn)界面，如右面，如右圖所示。圖所示。l2MATLAB系統(tǒng)的退出系統(tǒng)的退出要退出要退出MATLAB系統(tǒng)，也有系統(tǒng)，也有3種常見方法：種常見方法：(1) 在在MATLAB主窗口主窗口File菜單中選擇菜單中選擇Exit MATLAB命令。命令。(2) 在在MATLAB命令窗口輸入命令窗口輸入Exit或或Quit命命令。令。(3) 單擊單擊MATLAB主窗口的主窗口的“關(guān)閉關(guān)閉”按鈕。按鈕。l1.3.2 主窗口主窗口

55、MATLAB主窗口是主窗口是MATLAB的主要工作界的主要工作界面。主窗口除了嵌入一些子窗口外，還主面。主窗口除了嵌入一些子窗口外，還主要包括菜單欄和工具欄。要包括菜單欄和工具欄。1菜單欄菜單欄在在MATLAB 6.5主窗口的菜單欄，共包含主窗口的菜單欄，共包含F(xiàn)ile、Edit、View、Web、Window和和Help 6個(gè)菜單項(xiàng)。個(gè)菜單項(xiàng)。l(1) File菜單項(xiàng)：菜單項(xiàng)：File菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)有關(guān)文件的菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)有關(guān)文件的操作。操作。(2) Edit菜單項(xiàng)：菜單項(xiàng)：Edit菜單項(xiàng)用于命令窗口菜單項(xiàng)用于命令窗口的編輯操作。的編輯操作。(3) View菜單項(xiàng)：菜單項(xiàng)：View菜單項(xiàng)用于設(shè)置菜單

56、項(xiàng)用于設(shè)置MATLAB集成環(huán)境的顯示方式。集成環(huán)境的顯示方式。l(4) Web菜單項(xiàng)：菜單項(xiàng)：Web菜單項(xiàng)用于設(shè)置菜單項(xiàng)用于設(shè)置MATLAB的的Web操作。操作。(5) Window菜單項(xiàng)：主窗口菜單欄上的菜單項(xiàng)：主窗口菜單欄上的Window菜單，只包含一個(gè)子菜單菜單，只包含一個(gè)子菜單Close all，用于關(guān)閉所有打開的編輯器窗口，包括用于關(guān)閉所有打開的編輯器窗口，包括M-file、Figure、Model和和GUI窗口。窗口。(6) Help菜單項(xiàng)：菜單項(xiàng)：Help菜單項(xiàng)用于提供幫助菜單項(xiàng)用于提供幫助信息。信息。l2工具欄工具欄MATLAB 6.5主窗口的工具欄共提供了主窗口的工具欄共提供

57、了10個(gè)個(gè)命令按鈕。這些命令按鈕均有對(duì)應(yīng)的菜單命令按鈕。這些命令按鈕均有對(duì)應(yīng)的菜單命令，但比菜單命令使用起來更快捷、方命令，但比菜單命令使用起來更快捷、方便。便。l1.3.3 命令窗口命令窗口命令窗口是命令窗口是MATLAB的主要交互窗口，用的主要交互窗口，用于輸入命令并顯示除圖形以外的所有執(zhí)行于輸入命令并顯示除圖形以外的所有執(zhí)行結(jié)果。結(jié)果。MATLAB命令窗口中的命令窗口中的“”為命令提示為命令提示符，表示符，表示MATLAB正在處于準(zhǔn)備狀態(tài)。在正在處于準(zhǔn)備狀態(tài)。在命令提示符后鍵入命令并按下回車鍵后，命令提示符后鍵入命令并按下回車鍵后，MATLAB就會(huì)解釋執(zhí)行所輸入的命令，并就會(huì)解釋執(zhí)行所輸

58、入的命令，并在命令后面給出計(jì)算結(jié)果。在命令后面給出計(jì)算結(jié)果。l一般來說，一個(gè)命令行輸入一條命令，命一般來說，一個(gè)命令行輸入一條命令，命令行以回車結(jié)束。但一個(gè)命令行也可以輸令行以回車結(jié)束。但一個(gè)命令行也可以輸入若干條命令，各命令之間以逗號(hào)分隔，入若干條命令，各命令之間以逗號(hào)分隔，若前一命令后帶有分號(hào)，則逗號(hào)可以省略。若前一命令后帶有分號(hào)，則逗號(hào)可以省略。例如例如p=15,m=35p=15;m=35l如果一個(gè)命令行很長，一個(gè)物理行之內(nèi)寫如果一個(gè)命令行很長，一個(gè)物理行之內(nèi)寫不下，可以在第一個(gè)物理行之后加上不下，可以在第一個(gè)物理行之后加上3個(gè)小個(gè)小黑點(diǎn)并按下回車鍵，然后接著下一個(gè)物理黑點(diǎn)并按下回車鍵，

59、然后接著下一個(gè)物理行繼續(xù)寫命令的其他部分。行繼續(xù)寫命令的其他部分。3個(gè)小黑點(diǎn)稱為個(gè)小黑點(diǎn)稱為續(xù)行符，即把下面的物理行看作該行的邏續(xù)行符，即把下面的物理行看作該行的邏輯繼續(xù)。輯繼續(xù)。在在MATLAB里，有很多的控制鍵和方向鍵里，有很多的控制鍵和方向鍵可用于命令行的編輯。可用于命令行的編輯。l1.3.4 工作空間窗口工作空間窗口工作空間是工作空間是MATLAB用于存儲(chǔ)各種變量和用于存儲(chǔ)各種變量和結(jié)果的內(nèi)存空間。在該窗口中顯示工作空結(jié)果的內(nèi)存空間。在該窗口中顯示工作空間中所有變量的名稱、大小、字節(jié)數(shù)和變間中所有變量的名稱、大小、字節(jié)數(shù)和變量類型說明，可對(duì)變量進(jìn)行觀察、編輯、量類型說明，可對(duì)變量進(jìn)行觀

60、察、編輯、保存和刪除。保存和刪除。l1.3.5 當(dāng)前目錄窗口和搜索路徑當(dāng)前目錄窗口和搜索路徑1當(dāng)前目錄窗口當(dāng)前目錄窗口當(dāng)前目錄是指當(dāng)前目錄是指MATLAB運(yùn)行文件時(shí)的工作運(yùn)行文件時(shí)的工作目錄，只有在當(dāng)前目錄或搜索路徑下的文目錄，只有在當(dāng)前目錄或搜索路徑下的文件、函數(shù)可以被運(yùn)行或調(diào)用。件、函數(shù)可以被運(yùn)行或調(diào)用。在當(dāng)前目錄窗口中可以顯示或改變當(dāng)前目在當(dāng)前目錄窗口中可以顯示或改變當(dāng)前目錄，還可以顯示當(dāng)前目錄下的文件并提供錄，還可以顯示當(dāng)前目錄下的文件并提供搜索功能。搜索功能。將用戶目錄設(shè)置成當(dāng)前目錄也可使用將用戶目錄設(shè)置成當(dāng)前目錄也可使用cd命命令。例如，將用戶目錄令。例如，將用戶目錄c:mydir