第5章MATLAB在自动控制原理的应用.ppt
《第5章MATLAB在自动控制原理的应用.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第5章MATLAB在自动控制原理的应用.ppt(30页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第5章 MATLAB在自动控制原理的应用,5.1 控制系统模型 5.2 控制系统的时域分析 5.3 控制系统的根轨迹 5.4 控制系统的频域分析 5.5 系统的状态空间分析函数 5.6 极点配置和观测器设置 5.7 最优控制系统设计,5.1 控制系统模型,5.1.1 控制系统的描述与LTI对象 1控制系统的模型及转换 线性控制系统是一般线性系统的子系统。在MATLAB中,对自动控制系统的描述采用三种模型:状态空间模型(ss)、传递函数模型(tf)以及零极点增益模型(zpk)。模型转换函数:ss2tf,ss2zp,tf2ss,tf2zp,zp2ss和zp2tf。,2LTI对象 为了对系统的调用和
2、计算带来方便。根据软件工程中面向对象的思想,MATLAB通过建立专用的数据结构类型,把线性时不变系统(LTI)的各种模型封装成为统一的LTI对象。 MATLAB控制系统工具箱中规定的LTI对象包含了三种子对象:ss对象、tf对象和zpk对象。每个对象都具有其属性和方法,通过对象方法可以存取或者设置对象的属性值。,在MATLAB的Control System Toolbox(控制系统工具箱)中提供了许多仿真函数与模块,用于对控制系统的仿真和分析。,属性说明:(1)当系统为离散系统时,给出了系统的采样周期Ts。Ts0或缺省时表示系统为连续时间系统;Ts=-1表示系统是离散系统,但它的采样周期未定。
3、 (2) 输入时延Td仅对连续时间系统有效,其值为由每个输入通道的输入时延组成的时延数组,缺省表示无输入时延。 (3)输入变量名InputName和输出变量名OutputName允许用户定义系统输入输出的名称,其值为一字符串单元数组,分别与输入输出有相同的维数,可缺省。 (4)Notes和用户数据Userdata用以存储模型的其它信息,常用于给出描述模型的文本信息,也可以包含用户需要的任意其它数据,可缺省。,5.1.2 LTI模型的建立及转换函数,在MATLAB的控制系统工具箱中,各种LTI对象模型的生成和模型间的转换都可以 通过一个相应函数来实现。,表5.3 生成LTI模型的函数,例5-4
4、生成离散系统的零极点模型。MATLAB源程序为: z= ,-0.5; p=0.3,0.1+2i,0.2-2i; k=2,3; s6=zpk(z,p,k,-1) 运行结果为:,Zero/pole/gain from input 1 to output: 从第1输入端口至输出的零极点增益 2 - (z-0.3) Zero/pole/gain from input 2 to output: 从第2输入端口至输出的零极点增益 3 (z+0.5) - (z-(0.1+2i) (z-(0.2-2i) Sampling time: unspecified 表明该系统为双输入单输出的离散系统。,5.1.3 L
5、TI对象属性的设置与转换,1LTI对象属性的获取与设置,表5.4 对象属性的获取和修改函数,2LTI模型的转换函数,表5.5 模型检测函数,5.1.4 典型系统的生成,1随机生成N阶稳定的连续状态空间模型函数rss( ) 格式:sys = rss(N,P,M) 功能:随机生成N阶稳定的连续状态空间模型,该系统具有M个输入,P个输出。缺省是P=M=1,即sys=rss(N)。,2. 随机生成N阶稳定的连续线性模型系数函数rmodel( ) 格式:num,den=rmodel(N,P) 功能:生成一个N阶连续的传递函数模型系统,该系统具有P个输出。,3离散时间N阶稳定随机系统生成函数drss( )
6、和drmodel( ) drss和drmodel函数的用法与rss和rmodel函数的用法相仿,不同点仅仅在于它生成的是离散系统。,4二阶系统生成函数ord2 格式:A,B,C,D = ord2(Wn, Z) 功能:生成固有频率为Wn,阻尼系数为Z的连续二阶的状态空间模型系统。,5系统时间延迟的Pade近似函数pade( ) 格式:sysx = pade(sys,N) 功能:对连续系统sys产生N阶Pade近似的延时后,生成新的系统sysx。,5.1.5 LTI模型的简单组合与复杂模型组合,1LTI模型的简单组合 (1)若假定两环节均为单输入单输出的系统SA和SB。 两个环节级联:sysser
7、ies(SA,SB) 两个环节并联:sys=parallel(SA,SB) A环节前向,B环节反馈:S=feedback(SA,SB) (2)当在多输入多输出系统中,必须增加输入变量和输出变量的编号: 级联:sys=series(SA,SB,outputA, inputB) 并联:sys=parallel(SA,SB,InputA,InputB,OutputA,OutputB) 反馈: sys=feedback(SA,SB,feedout,feedin,sign),例5-14 计算图5.1所示的系统的传递函数。MATLAB源程序为: s1=tf(2,5,1,1,2,3) %系统s1的传递函数模
8、型 s2=zpk(-2,-10,5) %系统s2的零极点增益模型 sys=feedback(s1,s2) % s1环节前向,s2环节反馈5(s+2)/(s+10) 程序运行结果为: Transfer function: 系统s1的传递函数模型 2 s2 + 5 s + 1 - s2 + 2 s + 3 Zero/pole/gain: 系统s2的零极点增益模型 5 (s+2) - (s+10) Zero/pole/gain: 系统s1、s2的反馈零极点增益模型 0.18182 (s+10) (s+2.281) (s+0.2192) - (s+3.419) (s2 + 1.763s + 1.064
9、),2LTI模型的复杂模型组合,对复杂系统的任意组合,在MATLAB中,则采用集成的软件包,让机器自动去完成复杂的组合,人们只要输入各环节的LTI模型和相应的联接矩阵与输入矩阵,指定输出变量,软件包会自动判别输入的模型表述方式,作出相应的运算并最后给出组合后系统的状态方程。在求解过程中,主要涉及append( )函数和connect( )函数。,通常,由以下五个步骤来完成: 对方框图中的各个环节进行编号,建立它们的对象模型。 利用append函数命令建立无连接的状态空间模型。 sap=append(s1,s2,sm) 按规定写出系统的互联接矩阵q 互联矩阵q中的每一行由组合系统的一个输入编号和
10、构成该输入的其它输出编号组成,其中该行的第一个元素为该输入的编号,接下来的元素则由构成该输入的其它子框的输出编号组成,如果为负反馈,则编号应取负号。 选择组合系统中需保留的对外的输入和输出端的编号并列出。 Inputs=i1,i2, outputs=j1, j2, 用connect命令生成组合后的系统。,5.1.6 连续系统与采样系统之间的转换,若连续系统的状态方程为:,则对应的采样系统状态方程为:,其中,,Ts为采样周期。,、,、,、,反之,采样系统到连续系统的转换关系为上式的逆过程:,、,、,、,1. 转换原理,2. 连续系统与采样系统之间的转换函数,例5-17 系统的传递函数为: 输入延
11、时Td=0.35秒,试用一阶保持法对连续系统进行离散,采样周期Ts=0.1s。 MATLAB程序为: sys=tf(2,5,1,1,2,3,td,0.5); %生成连续系统的传递函数模型 sysd=c2d(sys,0.1,foh) %形成采样系统 程序运行结果为: Transfer function: 2.036 z2 - 3.628 z + 1.584 z(-5) * - z2 - 1.792 z + 0.8187 Sampling time: 0.1,5.2 控制系统的时域分析,时域分析是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法,具有直观和准确的优点。它是根据控制系统输入与输出之间的时域表达
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- MATLAB 自动控制 原理 应用
链接地址:https://www.31doc.com/p-2566797.html