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北理工自动控制实验
控制理论基础实验
实验1 控制系统的模型建立
一、实验目的
1. 掌握利用MATLAB 建立控制系统模型的方法。
2. 掌握系统的各种模型表述及相互之间的转换关系。
3. 学习和掌握系统模型连接的等效变换。
二、实验原理
1. 系统模型的 MATLAB描述
系统的模型描述了系统的输入、输出变量以及内部各变量之间的关系,表征一个系统的模型
有很多种,如微分方程、传递函数模型、状态空间模型等。这里主要介绍系统传递函数 (TF)
模型、零极点增益 (ZPK)模型和状态空间 (SS)模型的MATLAB 描述方法。
1)传递函数 (TF)模型
传递函数是描述线性定常系统输入-输出关系的一种最常用的数学模型,其表达式一般为
(1-1)
在MATLAB 中,直接使用分子分母多项式的行向量表示系统,即
num [bm, bm-1, … b1, b0]
den [an, an-1, … a1, a0]
调用tf 函数可以建立传递函数TF 对象模型,调用格式如下:
Gtf tf(num,den)
Tfdata 函数可以从TF 对象模型中提取分子分母多项式,调用格式如下:
[num,den] tfdata(Gtf) 返回cell 类型的分子分母多项式系数
[num,den] tfdata(Gtf,v) 返回向量形式的分子分母多项式系数
2)零极点增益 (ZPK)模型
传递函数因式分解后可以写成
式中, m z , z , ,z 1 2 ⋯ 称为传递函数的零点, n p , p , , p 1 2 ⋯ 称为传递函的
极点, 为传递系数 (系统增益)。
k
在MATLAB 中,直接用[z,p,k]矢量组表示系统,其中z,p,k 分别表示系统的零极点及其增
益,即:
z [z1,z2,…,zm];
p [p1,p2,…,pn];
k [k];
调用zpk 函数可以创建ZPK 对象模型,调用格式如下:
Gzpk zpk(z,p,k)
1
同样,MATLAB 提供了zpkdata 命令用来提取系统的零极点及其增益,调用格式如下:
[z,p,k] zpkdata(Gzpk) 返回cell 类型的零极点及增益
[z,p,k] zpkdata (Gzpk,’v’) 返回向量形式的零极点及增益
函数pzmap 可用于求取系统的零极点或绘制系统得零极点图,调用格式如下:
pzmap(G) 在复平面内绘出系统模型的零极点图。
[p,z] pzmap(G) 返回的系统零极点,不作图。
3)状态空间 (SS)模型
由状态变量描述的系统模型称为状态空间模型,由状态方程和输出方程组成:
其中: 为n 维状态向量; 为r 维输入向量; 为m 维输出向量; 为n×n 方阵,
x u y A
称为系统矩阵; B 为n×r 矩阵,称为输入矩阵或控制矩阵;C 为m×n 矩阵,称为输出矩
阵; 为m×r 矩阵,称为直接传输矩阵。
D
在MATLAB 中,直接用矩阵组[A,B,C,D]表示系统,调用ss 函数可以创建ZPK 对象模型,调
用格式如下:
Gss ss(A,B,C,D)
同样,MATLAB 提供了ssdata 命令用来提取系统的A、B、C、D 矩阵,调用格式如下:
[A,B,C,D] ssdata (Gss) 。它返回系统模型的A、B、C、D 矩阵。
4)三种模型之间的转换
上述三种模型之间可以互相转换,MATLAB 实现方法如下
TF 模型→ZPK 模型:zpk(SYS)或tf2zp(num,den)
TF 模型→SS 模型:ss(SYS)或tf2ss(num,den)
ZPK 模型→TF 模型:tf(SYS)或zp2tf(z,p,k)
ZPK 模型→SS 模型:ss(SYS)或zp2ss(z,p,k)
SS 模型→TF 模型:tf(SYS)或ss2tf(A,B,C,D)
SS 模型→ZPK 模型:zpk(SYS)或ss2zp(A,B,C,D)
2. 系统模型的连接
在实际应用中,整个控制系统是由多个单一的模型组合而成,基本的组合方式有串联连接、
并联连接和反馈连接。图1-2 分别为串联连接、并联连接和反馈连接的结构框图和等效总传
递
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