控制系统cad与仿真-matlab语言及应用

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1、第一章序论1．1控制系统的CAD与仿真概述随着科学技术的发展，控制理论和控制系统的研究显得越来越重要。在20世纪40年代，控制理论作为一门独立的学科出现以来，已经取得了迅速发展。早期的控制系统的设计可以由纸笔和计算器等工具轻易的人工计算出来，如Ziegler和Nichols在1942年提出的PID经验公式就可以十分容易地设计出来。随着控制理论的迅速发展，对控制的性能要求越来越高，控制的算法也越来越复杂，控制器的设计越来越困难，这样仅仅靠人工计算是很难达到预期的效果的。尤其是在现代控制理论的一些学科中，如系统辨识、最优控制、模糊控制、智能控制、鲁棒控制等领域，设计控制器需要大量的矩阵

2、、向量方面的运算，当系统阶次较高时根本无法手工计算。近年来随着计算机技术得到了飞速的发展，在控制系统领域出现了一门新学科—控制系统的计算机辅助设计（CSCAD-ControlSystemComputerAidedDesign），简称控制系统CAD。控制系统CAD技术是对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程是设计－实验－修改设计－再实验的过程。对于那些在实际运行过程中风险很大或者实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好

3、的系统进行直接实验或者反复实验，而没有经过实验验证的系统是无法投入使用的，这样只有借助于计算机才能对系统进行仿真实验研究。所谓控制系统的计算机仿真就是以控制系统的数学模型为基础，借助计算机对控制系统的动态特性进行实验研究。控制系统的仿真的基本过程包括：建立系统的数学模型，包括系统的不可变部分的数学模型和控制器的数学模型，并得到整个闭环系统的数学模型；建立仿真模型，一般是对系统的数学模型做离散化处理，得到相应的仿真模型；编制仿真程序并运行；分析仿真结果，并得出相应的结论。控制系统CAD就是根据给定的系统性能指标要求，借助计算机对系统的控制器进行设计。显然，控制系统的计算机仿真是控制系

4、统的计算机辅助设计的一个部分。这一过程包括：建立数学模型；根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数；对系统校正前后进行仿真，并验证控制器的实际控制效果；修改控制器参数或结构，直到仿真结果满足设计要求。由此可见，控制系统CAD和仿真主要依赖于强大的软件技术和控制理论，可以说软件的功能越强大，进行辅助设计就越容易。控制系统CAD要求是编程简洁、数值计算能力强、有针对不同控制领域的工具箱、有专门的仿真工具、有数据可视化工具，Matlab软件就是这样一种软件，它是当前控制领域工程师们普遍使用的CSCAD软件。1控制系统的计算机辅助设计的发展已经经历了40多年的历程，在这期间出现了许多CAC

5、AD软件包，如Maple、MathCAD、Mathematica，它们都提供了强大的数值计算功能，可以用于控制系统的计算机仿真和设计，现在流行最广泛的是美国MathWorks公司推出的Matlab软件，本书以Matlab软件作为控制系统分析、设计和仿真的工具。1．2MATLAB简介1980年美国CleveMoler博士研制的MATLAB语言从它一诞生，就引起了控制界学者的注目，它的简洁和高效对后来控制理论以及计算机辅助设计起到了巨大的推动作用。MATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算操作，并具有较强的绘图功能。随着新版本的不断推出，Matl

6、ab无论在界面还是在内容上都不断完善，并拥有很多应用在控制领域的工具箱，Matlab已经成为当今国际控制界应用最广也是最受人们喜爱的一种软件环境。1.2.1Matlab的语言特点Matlab被称为第四代计算机语言，利用其丰富的函数资源，可使编程人员从繁琐的代码中解脱出来。Matlab用更直观、符合人们思维习惯的代码，代替了C和Fortran语言的冗长代码，给用户带来的是最直观、最简介的程序开发环境。一下简要介绍Matlab的主要有点：①语言简洁紧凑，使用方便灵活。Matlab程序的书写格式自由，数据的输入、输出语句简洁，很短的代码就可以完成其它语言要经过大量代码才能完成的很复杂工作

7、。例如：A=[123;456;789]一条语句实现了对3x3矩阵的输入。②数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。Matlab的一个最大特点是强大的数值计算能力，它提供了许多调用十分方便的数学计算的函数，使我们随意使用而不必考虑数值得稳定性。例如：e=eig(A)%求矩阵A的特征值[L,U]=lu(A)%求矩阵A的LU分解，polyder(b)%求多项式的微分③运算符丰富。Matlab是用C语言编写的，所以Matlab提供了和C语言几乎一样多的丰富的运算符，而且还重载了一些