数字控制系统设计与仿真教学课件.pptVIP

*************************************6.4控制系统工具箱1系统建模控制系统工具箱提供了多种方式创建系统模型，包括传递函数模型、状态空间模型、零极点增益模型等。常用的系统建模函数有tf()、ss()、zpk()等。这些函数可以直接在MATLAB命令窗口使用，也可以在Simulink模型中通过相应的模块实现。2系统分析控制系统工具箱提供了丰富的系统分析工具，包括时域分析、频域分析和稳定性分析。常用的分析函数有step()、impulse()、bode()、nyquist()、margin()等。这些函数可以绘制系统的时域响应和频域特性曲线，计算稳定裕度，帮助评估系统性能。3控制器设计控制系统工具箱提供了多种控制器设计方法，包括根轨迹法、频率响应法、极点配置法等。常用的设计函数有rlocus()、place()、lqr()、pidtune()等。此外，工具箱还提供了控制系统设计app，如ControlSystemDesigner，提供图形化界面进行控制器设计和优化。4系统优化控制系统工具箱与MATLAB的优化工具箱结合，可以进行控制器参数的优化设计。可以定义性能指标，如超调量、上升时间、稳定裕度等，然后使用优化算法寻找最优的控制器参数。常用的优化函数有fmincon()、fminsearch()等。6.5仿真案例：直流电机速度控制系统建模直流电机的数学模型可以表示为二阶系统，其传递函数为：G(s)=K/[s(Ts+1)]其中K为增益系数，T为电机时间常数。在Simulink中，可以使用传递函数模块或状态空间模块建立电机模型。同时，还需考虑功率放大器、传感器等环节的模型。PID控制器设计为了控制电机速度，设计一个PID控制器。控制器参数可以使用Ziegler-Nichols方法初步整定，然后通过仿真结果进行微调。在Simulink中，可以使用PIDController模块，设置比例增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td。仿真结果分析运行仿真，观察系统在阶跃输入下的响应。分析系统的上升时间、超调量、稳定时间和稳态误差等性能指标。如果性能不满足要求，可以调整PID参数或系统结构，重新进行仿真。可以使用Scope模块或ToWorkspace模块记录仿真数据，然后在MATLAB中进行详细分析和可视化。6.6仿真案例：倒立摆控制系统建模倒立摆是一个典型的非线性系统，包括小车和摆杆两部分。通过牛顿第二定律建立系统的动力学方程，然后在平衡点附近线性化，得到状态空间模型：dx/dt=Ax+Buy=Cx+Du其中状态变量x包括小车位置、速度、摆杆角度和角速度。状态反馈控制器设计由于倒立摆系统是不稳定的，需要设计状态反馈控制器使系统稳定并具有良好的动态性能。控制律为：u=-Kx其中K为状态反馈增益矩阵。使用极点配置法或LQR方法确定K，使闭环系统的极点位于期望位置。仿真结果分析运行仿真，观察摆杆的角度变化和小车的位置变化。分析系统对初始偏差和外部干扰的响应性能。如果摆杆能够稳定在竖直向上位置，且小车能够回到平衡位置，则控制器设计成功。可以进一步优化控制器参数，提高系统性能。第七章：数字控制系统的实现1软件开发控制算法编程与优化硬件接口ADC/DAC、通信与接口电路3控制平台DSP、FPGA、微控制器数字控制系统的实现是将控制算法转化为实际运行的控制器的过程，涉及硬件平台选择、A/D和D/A转换、算法实现、实时操作系统、通信接口和人机界面等方面。本章将详细介绍数字控制系统实现的各个环节，帮助读者理解从算法设计到工程实现的全过程。通过本章的学习，您将了解各种数字控制器硬件平台的特点，掌握A/D和D/A转换的基本原理，了解控制算法的实现方法，以及实时操作系统、通信接口和人机界面的设计原则，为实际工程应用奠定基础。7.1数字控制器硬件平台DSP数字信号处理器(DSP)是专为数字信号处理设计的微处理器，具有快速计算能力和特殊的硬件结构，如哈佛架构、流水线、硬件乘法器等。优点：运算速度快，支持浮点运算，适合复杂算法缺点：成本较高，功耗较大应用：需要复杂算法和高精度计算的控制系统典型产品：TI的C2000系列、ADI的SHARC系列FPGA现场可编程门阵列(FPGA)是一种可编程逻辑器件，通过硬件描述语言(HDL)配置内部逻辑单元的连接，实现特定功能。优点：高度并行处理，低延迟，可定制缺点：开发复杂度高，功耗较大应用：需要高速并行处理的控制系统，如电力电子控制典型产品：Xilinx的Artix系列、A