第5章MATLAB在自动控制原理的应用课件.ppt

* 第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用 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。 2．LTI对象 为了对系统的调用和计算带来方便。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。Ts＝0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。 (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。 字符串单元向量 状态变量名 StateName 二维矩阵 系数矩阵 e 二维矩阵 系数矩阵 d 二维矩阵 系数矩阵 c 二维矩阵 系数矩阵 b 二维矩阵 系数矩阵 a ss对象 (状态空间) 由行数组组成的单元阵列 零点 z s、z、p、k、z-1中之一 零极点增益模型变量 variable 由行数组组成的单元阵列 极点 p 二维矩阵 增益 k zpk对象 (零极点增益) s、z、p、k、z-1中之一 传递函数变量 variable 由行数组组成的单元阵列 传递函数分子系数 num 由行数组组成的单元阵列 传递函数分母系数 den tf对象 (传递函数) 属性值的变量类型 意 义 属性名称 对象名称 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。 生成（或将其它模型转换为）零极点增益模型 zpk(z, p, k, …) 生成（或将其它模型转换为）传递函数模型 tf(num, den, …) 生成（或将其它模型转换为）状态空间模型 ss(a, b, c, d, …) 生成（或将其它模型转换为）DSP形式的离散传递函数 filt(num, den, …) 生成（或将其它模型转换为）描述状态空间模型 dss(a, b, c, d, …) 功 能 函数名称及基本格式 表5.3 生成LTI模型的函数 [例5-4] 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 LTI对象属性的设置与转换 1．LTI对象属性的获取与设置 模型类型的检测 class 获得变换后的零极点增益模型参数 zpkdata(sys) 获得变换后的传递函数模型参数 tfdata(sys) 获得变换后