资 源 简 介
本书从应用角度出发，系统地介绍了MATLAB/Simulink及其在自动控制中的应用，结合MATLAB/Simulink的使用，通过典型实例，全面阐述了自动控制的基本原理以及控制系统分析与设计的主要方法。全书共分13章，包括自动控制系统与仿真概述、MATLAB计算基础、Simulink仿真、控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控制系统校正与综合、线性系统状态空间分析、线性系统状态空间设计、非线性系统、离散控制系统、最优控制系统等。各章通过精心设计的应用实例、综合实例和习题帮助读者理解和掌握自动控制原理以及MATLAB/Simulink相关功能和工具的使用。252常用符号运算…r…032253控制系纨中常用的符号运算2 MATLAR常用绘图命令35)27 MATLAB程序设计…甲會电一看嵋■38)271 MATLAF程序类平……(38272 MATLAB程序流程掉告,哥忄中曾_4(39273 MATLAB程序基本设计原则…■■晶命中bbp。■■■中中中P會■■■■■■■b第3章仿真集成环境 Simulink會中■甲■P■■■■山山b■b中中中中P口『……44431引言■■■自血鲁■啁看■■■·聊中司喟普■冒■■■画晶普L如■32 Simulink的使用·……幽…(44)321 Simulink启动………r會4■看↓44322 Simulink仿真坂置申·●即聊嚕唱■■■■幽中P◆φ■昏省■■db画山■bdb==〓画3.23 Simulink模块库符介…(52)3.24 Simulink功能模块的处理*,…(G433 Simulink定义功能模块▲↓b(6了331采用 Subsystem构建自定义功能模块(67〕332多个模块组合自定义功能模块………x67)333自定义功能模块的封装………67)34S函数没计与应厅…………■■■■………(6934.1S函数设计………………M!“(6934.2S函数应用…-……………………441472)3.5 Simulink伤真举例(73)第4章控劇系统数学模型……………(7)41引言………4中中中平■PP晋誉ddd●·p●命·d_幽口↓■■■晶L(78)42动志过程徽分方程描述…(78)43拉氏变换与控制系统模型…■■日■日■●噜■■幽鲁4中P■↓b量b画画824.↓动态过程的传递函效描述……………(84)441传递凶数定义与性质35442传递函数零极点表示(86)443传递函数的部分分式表示………(87)45动态过程状态空间描述…*…(89)46系统模型转换及迤接…………………r……:4:1(91)46I模型转换嚕·∮中■■■■bb晶山画m(91)462模型连接■■■鲁bb“e即司d■〔9447非线性数学模型的线性化…第5章时域分析法…■■■■■◆P冒■■■昌画1011引言52时域响应分析■早?P■备01■521典型翰入■■b酽■■昌■■■■俨曾■↓晶■俨昏普■■·■■噌目■"申ψ■■■■ψ會曾号■鲁曾噜喟吾■■■鲁■鲁和自幽鲁自早血即唱噜■曾啁噜會(101)522线性系统时域响应一般求法t!103523时域响应性能指标…(104)524 MATLABSimulink在时域分析中的应用…,1:1919(106)525一阶和二阶系统时城响应分析………………*"*…(1)526高阶系统的时域分析血中智·血鲁中“P曾平■b會?會■自d幽命●咖●■看自曲「血121)53稳定性分析…………………………………*……………………(124)531稳定性基本概念…山··即即·即即a日L平P中司号■T■■■■冒3.2稳定性判据i25)53.3稳态误差分析128)534 MATLAB在稳定性分析中的应用………………-…-…(133)第6章根轨迹分析法中昏■■血■唱昏■自會『■■■自■■■■昌■吾晶画b吾凸凸迅画dL:(135)61引言13562根轨迹定义…知中中『·P鲁會曾■P自■■■■自■■■L↓■即L山(I35)63根轨迹法基础L36)63,1幅值条件和相角条件…………〔13)632绘制根迹的一般法则〈138)633与根轨迹分析相关的 MATLAB函数…甲■日自■山+-是+吾如a日日平v=1(140)634利用 MATLAB绘制根轨迹图举例吾dhb■如(14664其他形式的根轨迹……,日4··。日·命即●唱●电b■■■A口备小如(147〕641正反馈系统的根轨迹口■m(148642参教椒轨迹……血』命●ψ司自■□■■罪4bL49643时滑系统的根轨迹中■中命“点(15065用根轨迹法分析系统的暂态特性h■I517章频域分析法↓【L■■4(155】5572频率特性……"t(155721频率特性基本概念………(155722颜率响应线(i577.3频宰响应分析……平俨平■■昏『■■■■罪冒■1晶●如●￠■聊自t731系统品质分析■◆中十732稳定性分析…………168第8章控制系控校正与综合177)81引言■中◆即自自■d■血口■口血m印甲自中(177)32控钠系统校正与琮合基础………1(177)821掉制系统性能指标……17)822掉制系统校正概述b·“■中■r(78)83PD控制器设计(180)83.PID控制器概述……………lb··●b·如ψ晶4如(180832比例(P〕掉制………………………………………*"…………………(181)833比例微分(PD)控制……………*………………-………………(183834积分()控制……835比例积分(P)控制……r平P日■■俨■■唱噌4翻警昏看昏■昏昏■L画晶■■备·命如晶4聊hb(185)336比例积分微分〔PID〉控制冒冒非音血司电眼申p血■昌●咖电申■口看看啁■(186)837PD控制辐参数整定曾一一管t■■冒?『血(187)84控制系统狡正的根孰迹法……-………………,…………….(198)84.1基于根轨迹法的越前校正(199)842甚于根籼迹法的灌后校正……………(20)843甚于根轨迹法的超前后校正甲tP206)35控制系统校正的频率响应法…u(210851基于频率法的超前校正210)852基于颏苹法的滞后校正日·■日山■中中中中中PP■『『『『晶■■画·看L第9章线性系统状态空间分析t21891引言●●自自自申申中暴■↓晶↓↓品晶d晶日↓q吾4卜〓即日·日日即一·嚕21892线性系统状态空间基础(218冫921状态空间基本概念…■■·■·中即唱中唱叩自·自■■■日■■■■毛冒(218922状态空间实现…■qb↓●画d晶口 aB唱命山日即司即↓罪ψ晶◆。》《▲晶4,4聊1(z21)923状态空间模型描述……………………(30924状态方程求解……+…-…■■■■↓↓晶口西↓236)93绒性系统的状杰可控性与状态可观性……………………245)931状态可控性……·q日日日日日中···自自号督号平■卩日■■■↓b〔245)932状态叮观性……"st4(247)33对偶系统和对偶原理……(2434可控标准型和可观标准型"r:(249)94线性系统稳定性分析…a(256)941稳定性分析基础…………………………………(256)942李雅普诺去稳定性分析晋曾喑中257)第10章线性系统状态空间设计262101引言262102状态反键与慨点配置……r…nraA262)102I状态反馈…4.62102,2输出反馈1023极点配置F甲“中·●103状态观测器……………中卓中中自翟警唱晶吾■■■目■血日“白 TP智avaF271)1031状态观测器的基本概念4…■國【■■■■■■■■272)1032全维状志观测器44273)1们.33降维状态观测器28L第11章非线性系统……(287I1引言(287)112非线性系统概述………a(287)11,2.1非线性控制理论发展概冖看■■■2(287112.2典型非线性特性(288113和平面法………〔290〕L3.1相平面法基础知识→……(291)1132相凯迹图绘制■■p●甲即甲即即●■〔292)14描述函数法…·4幽B自甲(300)14.1描述函数基本概念300)114.2描述函数定义……-■■q■■■■■■幽bp命300冫1143常见非线性特性描述函数Mt(30114.4稳定性分析冒冒冒■■■■·旱■■■4■■■■■hp(30315采用 Simulink分析非线性系统304)第12章离散控制系统聊聊口口■■↓■■■■■L山七307121引言……………………"4307122高数控制系统基本概念…T會會■(307)1221离散控制系统概述…r…"…"…""(307)1222腐散信号的数学描述血血會4中即『會日■■(310123Z变换……+…1231离教信号的z变换…■■自血■●●q电4唱(314)12.32Z父挨、2反变换常用方法反 MATLAB.实1z.4腐数控制系统数学模型·中曹會(323)124L离散系统时域数学模型…(323E24.2离数系统频域数学模型…中中P■■普昏晋普晋晶d啬血〓〔325)I25离数控制系統分析1↓■■晶血山〔333)1251高散控制系统的稳定性……3331252离数控制系统静态误萃分析…340〕12.53离散控制系統动态特性分析…………342)参考文献………………了3第1章自动控制系统与仿真基础知识11引言本章描述自动控制系统的幕本概念及自动控制系统仿真射基本知认,介绍自动控制系统与仿真的概念、组成、分类以及 MATLAB仿真等基础知识。通过本章,读者对自动控制系统与仿真以及本书的主要内容能有整体的认识12自动控制系统基本概念在现代工业生产过程中,为了类高产品质量和生产效率,需要对生产设备和工艺过程进行控制,使被控的物理量按照朔类的规律变化。这些被控制的设备或过程称为控制对象或对象,被控制的物理量称为被控制量或输出量。在实际的条件下,生产设备或工艺过程有许多外部作用,一般只考虑对输出量影响最人的量,这量称为输入量从对被控对象和输出量的影响来看,输入量可分为两种类型。一种输入作用是为了保证对象的行对达到所要求的日标,这一类翰入量称为控制量或给定量。另一种输入作用则相反,它妨碍对象的行为达到目标,这类作用称为扰动作用,输入量称为扰动量控制的任务实际上就是形成控制作用的变化规律,使得不管是否存在扰动对象都能得到所期望的行为所谓自动控制系统就是在无人直被操作或干预的条件下,通过控制器使控制对象自动地按照给定的规律运行,使被量能等按照给定的规律变化。系统是指为完成定要求和任务的部件或功能的组合,它们相互影响,协调地完成给定的要求和任务。能等实现自动控制的系统称为自动掉制系统。1.2.1开环控制系统与闭环控制系统如果控制系统的输出量对系统没有控制作用,则这种系统称为开环控制系统。图1.1表示了开环控制系统被入量与轴出量之间的关系。就动量给定量着出量挖制帮图1,1开环控制示意图MAELABISimulink与控制系统仿真这里,给定量直接经过控制器作用于控制对象,不需要将输出量反馈到输入端与给定量进行比较,所以只有给定量影响输岀量。当出现外部扰动或内部扰动时,若没冇人的预,输出量将不能按照给定量所希望的状态去工作闭环控制系统是把輸出量检测出来,经过物理量的转换,再反馈到输入端与给定量进行比较(相减),并利用比较后的偏差信号,经过控制器或调节器对控制对象进行控制抑制内部或外部扰动对输出量的影响,从而减小输出量的误差。图1表示了闭环控制系统输入量、输出量和反馈量之间的关系。扰动量定量曾差控器控制款量反贯是测装量图12闭环控制示惫图这种系统把输出量直接或间接地反馈到输入端形成闭环,参与系统的控制,所以称为闭环控制系统。由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的,因此也称为反馈系统或偏差控制系统。在圳代工业生产中,按照偏差控制的闭环系统种类繁多,尽管它们的控制任务不同,具体结构不完全相同,但是,检测偏差、利用偏差信号对控制对象进行控制,以减小或纠正输出量的编差这一挎制过程都是相同的。这种系统的特点归纳如下(1)在开环系统中,只有输入量对输出量产生控制作用;从控制结构上看,只有从输入端到输出端、从左向右的信号传递通道(该通道称为正向通道)。在闭环控制系统中,除正向通道外,还必须有从右向左、从输出端到输入端的信号传递通道,使輸出信号也参与控制作用,该通道称为反馈通道。闭环控制系统就由正向通道和负反馈通道组成的。(2)为了检测偏差,必须直接或间接地检测出输出量,并将其变换为与输入量相同的物理量,以便与给定量相比较,得出偏差信号。所以闭环系统必须有检测环节、给定环节和比较环节(3)闭环控制系统是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的,因此系统中必须具有执行纠正偏差这一任务的执行机构ε闭环系统正是靠放大了的偏差信号来推动执行机构,进一步对控制对象进行控制的。只要输出量与绺定量之间存在偏差,就自动纠正输出量与期望值之间的误差,因此可以构成特确的控制系统。反馈控制系统广泛地应用于各个工业部门,例如加热炉的温度控制、机器于的控制等。在有些系统中,将开环控制和閉环控制结合在一起,构成一个开坏一闭环控制系统,这种系统称为复合控制系统。本书中提到的自动控制系统主要是指闭环控制系统。第1章自动控制系统与仿真基础知识1.22闭环控制系统组成结构闭环控制系统有各种不同的形式,但是概括起来,般均由以下基本环节组成,如图13所幹定N比校正放大L「执行1.[物输少x环节环节率节环节机构对蒙检测技「图13闭环控制系统结构图1)给定环节:它是设定被控制量的给定值的装置,如电位器等,给定环节的精度对被控制置的控制精度有被大的影响,现代的控制系统般采用控制精度高的数字给定装置(2)比较环节:比较坏节将所检测的被控制量和给定量进行比较,确定两者之间的偏差量。该偏差量由于功率较小或者物理性质不同,还不能直接作用于执行机构,所以在执行机构与比较环节之间还有中间环节。(3)中间环节:中间环节一般是放大元件,将偏较信号变换成适于控制执行机构工作的信号。根据控制的要求,中间环节可以是个简单的功率放大环节,或者是将偏差信号变被为适于执行结构工作的物理量,如较压何服较大器。常常除了要求中间环节将偏差信号放大以外;还希望它能按某种规律对偏差信号进行运算,用运算的结构掉制执行机构,以改善被控制量的稳态和暂态性能,这种中间环节常称为较正环节(4)执行机构:一般由传动较置和调节机构组成,执行机构直接作用于控制对象被被控制量达到所变求的数值5)控制对象成调节对象:它是指要进行控制的设备或过程,相应地,控制系统所控制的某个物理量就是系统的输出量戚被控量,闭环控制系统的任务较是控制这些系统输出量的变化规律,以满足生产工艺的要求(6)较测装置或传感器:用于较测被控制量,并将其转换为与给定量统的物理量。检测装的精度和特性直被影响性制系统的较制品质,它是构成自动控制系统的关键元件,所以一敖应要求被测装置的测量较度高、反应灵敏,性能稳定等在较制系统中,通常把比被环节、较正环节和放大环节合在一起称为控制装置。123反馈控制系馈品馈要求在反馈控制系统中,当就动量或给定量(或给定量的变牝规律)发生变化时,被控量偏离了给定量(或给定量的变化规律)而产生偏差,通过反馈控制的作用,经过短暂的过被过程,被掉量又趋子或恢复到原来的稳态值,或技照就的给定量〔或给定量的变化就律)稳定下来,这时系统从就来的平衡状态过渡到新的平衡状态。我们把被控量处于变化状态的过程称为动志或暂态,而把被控量处于相对稳定的状态称为静态或就志。反馈较制系统品质要求可以归结为静定性〔长期就定性)、快速性(相对稳定性)和准确性(精度)。MAILAHASimulink与控制系统伪真1.稳定性稳定性对于不同的系统有不同的要求。对于恒值系统,要求当系统受到扰动后,经过一定时间的调整能够回到厦来的期望值:对于随动系统,要求被控制量始终跟踪参量的变化。稳定性是对系统的基本要求,不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通常由系统的结构决定,与外界因素无关2.快速性快速性是指对过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态性能或暂杰性能。个自动控制系统还应能满足暂态性能的要求。如果控制对象的惯性很大;系统的反馈又不及时,则被控量在哲态过程中将产生过大的偏差,到达稳态的时问加长,并呈现各种不同的暂态过程般说来,在合理的结构和适当的系统参数下,一个系统的暂农过程多属于哀减振荡过程,即被控量变化很快并产生超调,经过几个振荡后,达到新的稳定工作状态。为了满足生产工艺要求,往往要求系统的暂态过程不仅是稳定的,并且进行得越快越好,振荡程麈越小越好。前者是哲态过程的稳定性问题,后者是暂态过和的性能问越。这些都是设计闭环控制系统时必须研究的问题。3.准确性准确性通常用稳态误差来表示,所谓稳态误差是指系统达到稳态时,输山量的实际值和期望值之间的误差。这一性能表示稳态时的控制精度,一个设计合理的自动控制系统其稳态持性应能满足工艺的要求。在参考输入信号作用下,当系统达到稳态后,其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然.这种误差越小,表示系统的输H跟随参考输入的精度越高。个闭环控制系统往往在满足稳态精度和暂态品质之间存在着币盾,例如要求稳态精度高,往往不能得到很好的暂态性能。因此必须兼颐这两方的要求,根据具体情况合理地解决。13自动控制系统分类自动控制系统广泛地应用于各类工业部门。随着生产规模的不断扩大和生产能力的不断提高,以及自动化技术和控制理论的发展,自动控制系统也日益复杂和趋完善。例如,由单输入单输出的控制系统发展为多输入多输出的系统;由具有常规控制仪表和控制器的连续控制系统,发展刭由计算机作为控制器的直接数字制系统,从而实现最优控制。由于各式各样自动控制系统的不断发展,很难确切地对自动控制系统进行分类现将常见的几种自动控制系统概括介绍如下
