MATLAB课程设计.pptx
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1、MATLABMATLAB学习的必要性学习的必要性 MATLABMATLAB课课程程设设计计是是为为配配合合自自动动控控制制理理论论课课程程的的学学习习而而设设置置的的。为为了了使使学学生生能能够够对对自自动动控控制制理理论论课课程程所所学学的的内内容容进进行行深深层层次次的的分分析析和和研研究究,我我们们加加设设了了应应用用MATLABMATLAB软件进行计算机辅助设计这一教学环节。软件进行计算机辅助设计这一教学环节。MATLABMATLAB软软件件有有着着对对应应用用学学科科的的极极强强适适应应力力,并并已已经经成成为为应应用用学学科科计计算算机机辅辅助助分分析析、设设计计、仿仿真真、教教学
2、学乃乃至至科科技技文文字字处处理理不不可可缺缺少少的的基基础础软软件件。在在高高等等院院校校里里,MATLABMATLAB已已经经成成为为本本科科生生、硕硕士士生生、博博士士生生必必须须掌掌握握的的基基本本技技能能;在在设设计计研研究究单单位位和和工工业业部部门门,MATLABMATLAB已已经经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。MATLAB软件是一个庞大的体系,仅Mathworks公司本身就推出了30多个应用软件,它有强大的数学计算和图形绘制功能,作为自动控制理论的计算机辅助设计,尤其面对学习时间有限的本科生,本章只能针对本专业的范围
3、加以讲解,力求通过一些简单的例子,一步一步带领读者进入MATLAB的世界,有效地利用它解决所面临的问题,起到一个敲门砖的作用。MATLABMATLAB入门入门二、二、MATLABMATLAB程序设计基础程序设计基础 一、启动一、启动MATLABMATLAB 三、三、SIMULINKSIMULINK动态仿真集成环境动态仿真集成环境 MATLABMATLAB入门入门 当当装装好好MATLABMATLAB后后,双双击击MATLABMATLAB图图标标进进入入,或或单单击击WindowsWindows的的开开始始菜菜单单,依依次次指指向向“程程序序”、“MATLABMATLAB”即即可可进进入入MAT
4、LABMATLAB的的命命令令窗窗口口,它它是是用用户户使使用用MATLABMATLAB进进行行工工作作的的窗窗口口,同同时时也也是是实实现现MATLABMATLAB各各种种功功能能的的窗窗口口。MATLABMATLAB命命令令窗窗口口除除了了能能够够直直接接输输入入命命令令和和文文本本,还还包包括括菜菜单单命命令令和和工工具具栏栏。MATLABMATLAB的的菜菜单单命命令令构构成成相相对简单而全面。对简单而全面。示例启动启动MATLABMATLAB1、基本数据结构-矩阵 A=1 2 3;4 5 6;7 8 9;代表行之间用;隔开,每行之间元素用空格或逗号隔开。2、常用运算符号+、-、*、/
5、、即加、减、乘、除、成方。3、编程基本上为命令行执行,也可以用文件编写程序。A、for 循环例 for i=1:1:10 t=t+1;endMATLABMATLAB程序设计基础程序设计基础MATLABMATLAB程序设计基础程序设计基础B B、while while 循环循环例例 while key=1while key=1 p=sin(t);p=sin(t);if p=0 if p=0 key=0;key=0;End End end endMATLABMATLAB程序设计基础程序设计基础C C、switch switch 循环循环例例:SWITCH switch_expr SWITCH sw
6、itch_expr CASE case_expr1 CASE case_expr1 statement,.,statement statement,.,statement CASE case_expr2 CASE case_expr2 statement,.,statement statement,.,statement .OTHERWISE,OTHERWISE,statement,.,statement statement,.,statement END END3 3、函数、函数Function o1,o2,Function o1,o2,=file=filesname(in1,in2,sna
7、me(in1,in2,)例:例:function Z=jia(x,y)function Z=jia(x,y)Z=x+y;Z=x+y;注:注:MATLABMATLAB函数程序文件名应与等号后的名字相同。函数程序文件名应与等号后的名字相同。利用编辑器的所有文件的后缀为利用编辑器的所有文件的后缀为.m.m特别提醒:文件名不能以数字开头特别提醒:文件名不能以数字开头MATLABMATLAB程序设计基础程序设计基础MATLABMATLAB软件中的软件中的SIMULINKSIMULINK主要用于动态系统的主要用于动态系统的仿真。仿真。SIMULINKSIMULINK软件是一个应用性非常强的软件,它软件是一
8、个应用性非常强的软件,它有以下几个突出的优点:有以下几个突出的优点:(1 1)用户可以自定义自己的系统模块;)用户可以自定义自己的系统模块;(2 2)系系统统具具有有分分层层功功能能,这这一一功功能能可可以以使使用用户户轻轻松松组组织系统,层次分明又自成系统;织系统,层次分明又自成系统;(3 3)仿真与结果分析。)仿真与结果分析。根根据据这这些些特特点点,我我们们通通过过例例题题,说说明明如如何何在在SIMULINKSIMULINK环境下,完成对实际系统的仿真分析。环境下,完成对实际系统的仿真分析。SIMULINKSIMULINK动态仿真动态仿真启动启动SIMULINKSIMULINK在MAT
9、LAB命令窗口输入“SIMULINK”或点击 图 标 ,或 在 MATLAB的 菜 单 上 选 择FileNewModel即可启动SIMULINK。SIMULINK软件的模块的操作、连接以及系统如何仿真等,比较简单和直观,下面以所见即所得的方式说明。SIMULINKSIMULINK动态仿真动态仿真1 1、微分方程和传递函数微分方程和传递函数2 2、零极点增益模型零极点增益模型3 3、模型转换模型转换4 4、模型的建立和连接模型的建立和连接5 5、迟延系统模型迟延系统模型研究一个自动控制系统,单是分析系统的作用原研究一个自动控制系统,单是分析系统的作用原理及其大致的运动过程是不够的,必须同时进行
10、数量上理及其大致的运动过程是不够的,必须同时进行数量上的分析,才能作到深入地研究并将其有效地应用到实际的分析,才能作到深入地研究并将其有效地应用到实际工程上去。这就需要把输出输入之间的数学表达式找到,工程上去。这就需要把输出输入之间的数学表达式找到,然后把一系列归类,这样就可以定量地研究控制系统了。然后把一系列归类,这样就可以定量地研究控制系统了。求解微分方程:求解微分方程:解:解:dsolve(D2x+3*Dx+2*x=2,x(0)=-1,Dx(0)=0)ans=1-4*exp(-t)+2*exp(-2*t)说明:说明:x是因变量,是因变量,t是缺省的自变量。函数是缺省的自变量。函数dsol
11、ve用来用来求解微分方程,字母求解微分方程,字母D代表微分运算,代表微分运算,D2 D3DN分别分别对应于第二、第三对应于第二、第三第第N阶导数。例如阶导数。例如D2y代表代表d2y/dt2。符号变量和符号方程可以用。符号变量和符号方程可以用 定义。定义。微分方程和传递函数微分方程和传递函数求函数的求函数的 拉氏变换。拉氏变换。解:解:syms a b tT=(exp(-a*t)-exp(-b*t)/(b-a);F=laplace(T);F=simplify(F)F=1/(s+a)/(s+b)说明:说明:syms用来说明符号变量,用来说明符号变量,laplace函数用来函数用来求拉氏变换。求拉
12、氏变换。微分方程和传递函数微分方程和传递函数求解微分方程组,求解微分方程组,解:解:x,y=dsolve(4*Dx+y=10,-1*x+3*Dy+2*y=0,x(0)=0,y(0)=5)x=-105/4*exp(-1/6*t)+25/4*exp(-1/2*t)+20y=25/2*exp(-1/2*t)-35/2*exp(-1/6*t)+10微分方程和传递函数微分方程和传递函数某系统在零初始条件下的单位阶跃响应某系统在零初始条件下的单位阶跃响应h(t)=(1-e-2t+e-t)1(t)。试求系统传递。试求系统传递函数及零初始条件下的单位脉冲响应。函数及零初始条件下的单位脉冲响应。解:解:syms
13、 th=1-exp(-2*t)+exp(-t);L1=laplace(h)L1=1/s-1/(s+2)+1/(s+1)syms sL2=1/s;G=L1/L2%传递函数传递函数G=(1/s-1/(s+2)+1/(s+1)*s simplify(G)ans=(s2+4*s+2)/(s+2)/(s+1)H1=G*1;H2=ilaplace(H1)%零初始条件下的单位脉冲响应零初始条件下的单位脉冲响应H2=Dirac(t)+2*exp(-2*t)-exp(-t)说明:说明:simplify命令用来化简。命令用来化简。生成传递函数模型Num=bn Num=bn b4 b3 b2 b1 bo;b4 b3
14、 b2 b1 bo;Den=an Den=an a4 a3 a2 a1 a0;a4 a3 a2 a1 a0;G=tf(num,den);G=tf(num,den);G=tf(num,den,Ts);G=tf(num,den,Ts);传递函数模型数据的获得传递函数模型数据的获得num,den=tfdata(G);num,den=tfdata(G);num,den=tfdata(G,num,den=tfdata(G,v v););%用于用于SISOSISO系统。系统。num,den,Ts,Td=tfdata(G);num,den,Ts,Td=tfdata(G);%Ts%Ts是采样周期,是采样周期,
15、TdTd是输入的延迟时间是输入的延迟时间微分方程和传递函数微分方程和传递函数生成零极点增益模型生成零极点增益模型z=z1 z2 z3 z=z1 z2 z3;p=p1 p2 p3 p=p1 p2 p3;K=k1;K=k1;G=zpk(z,p,k);G=zpk(z,p,k);G=zpk(z,p,k,Ts);G=zpk(z,p,k,Ts);零极点增益模型数据的获得零极点增益模型数据的获得z,p,k=zpkdata(G);z,p,k=zpkdata(G);z,p,k=zpkdata(G,z,p,k=zpkdata(G,v v););%用于用于SISOSISO系统。系统。z,p,k,Ts,Td=zpkd
16、ata(G);z,p,k,Ts,Td=zpkdata(G);%Ts%Ts是采样周期,是采样周期,TdTd是输入的延迟时间是输入的延迟时间零极点增益模型零极点增益模型C2dC2d,c2dtc2dt将连续时间系统转换成离散时间系统;将连续时间系统转换成离散时间系统;C2dmC2dm按指定的方式将连续时间系统转换成离散时间系统;按指定的方式将连续时间系统转换成离散时间系统;D2cD2c将离散时间系统转换成连续时间系统;将离散时间系统转换成连续时间系统;D2cmD2cm按指定的方式将离散时间系统转换成连续时间系统;按指定的方式将离散时间系统转换成连续时间系统;Tf2zpTf2zp变系统的传递函数形式为
17、零极点形式变系统的传递函数形式为零极点形式zp2tfzp2tf变系统的零极点形式为传递函数形式变系统的零极点形式为传递函数形式模型转换模型转换ord2ord2产生产生2 2阶系统;阶系统;rmodelrmodel产生产生n n阶随机的稳定连续系统;阶随机的稳定连续系统;dmodeldmodel产生产生n n阶随机的稳定离散系统;阶随机的稳定离散系统;SeriesSeries系统的串联连接;系统的串联连接;ParallelParallel系统的并联连接;系统的并联连接;feedbackfeedback系统的反馈连接;系统的反馈连接;cloopcloop系统的单位反馈连接;系统的单位反馈连接;模型
18、的建立和连接模型的建立和连接Set(G,Set(G,iodelayiodelay,10);,10);%设置模型对象设置模型对象G G的输入延迟时间为的输入延迟时间为1010秒秒Set(G,Set(G,ouputdelayouputdelay,10);,10);%设置模型对象设置模型对象G G的输出延迟时间为的输出延迟时间为1010秒秒get(G)get(G)%得到带有延迟的模型对象得到带有延迟的模型对象G Gnum,den=pade(10,n);num,den=pade(10,n);%得到得到1010秒延迟对象的秒延迟对象的n n阶阶padepade近似近似迟延系统的模型迟延系统的模型时域分析
19、法是一种直接准确的分析方法,易为人们所接受,它可以接受系统时域内的全部信息。时域分析法包括稳定性分析、稳态性能分析(稳态误差)、动态性能分析三大方面。在MATLAB软件中稳定性能的分析可以直接求出特征根或用古尔维茨判据判定稳定性,而稳态误差的求取可根据静态误差系数,利用求极限的方法求取(与手算类似不再考虑),也可从输出中直接看出。第三方面动态性能主要是根据系统的各种响应来分析的,所以要学习一下在MATLAB软件中如何获取各种响应的命令函数。时域分析法时域分析法1、稳定性分析稳定性分析2、稳态性能分析稳态性能分析3、动态性能分析动态性能分析时域分析法时域分析法系系统统闭闭环环特特征征方方程程分分
20、别别如如下下,试试确确定定特特征征方方程程根根在在s s平面的位置,并判断系统闭环稳定性。平面的位置,并判断系统闭环稳定性。(1 1)S S4 4+2 2S S3 3+3 3S S2 2+4 4S+S+5=05=0 (2 2)S S3 3+2020S S2 2+9 9S+S+100100=0 0试用古尔维茨判据判别系统的稳定性。试用古尔维茨判据判别系统的稳定性。(1 1)解:解:稳定性分析稳定性分析MATLABMATLAB还有另外一种更直接的方法,直接求根法。还有另外一种更直接的方法,直接求根法。(2 2)d=1 20 9 100;d=1 20 9 100;r=roots(d)r=roots(
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