自动控制 控制系统的设计与仿真

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1、第4章控制系统的设计与仿真4.1系统建模与仿真框图的创建4.2控制系统设计4.3控制系统的时域仿真4.4实例:倒摆系统的建模与仿真4.1系统建模与仿真框图的创建4.1.1问题描述众所周知,现实世界中存在着各种不同的控制系统。对于线性时不变（LTI）系统,一般可以分为连续和离散系统。MATLAB中为用户提供了丰富的针对各种系统的建模手段。图4.1显示了MATLAB中各种线性时不变（LTI）系统之间的转换关系。图4.1连续与离散系统的关系示意图图4.1中显示了MATLAB可以完成离散和连续系统的建模,并且同一系统可以表

2、示成连续系统,也可以表示成离散系统,它们之间可以以状态方程形式进行转化。这一节将结合一个具体实例来演示MATLAB中各种模型创建和相互之间进行转化的方法,以及如何用Simulink进行连续系统的仿真。首先给出实例的源程序MODLDEMO.M,然后根据不同的主题结合实例进行讲述。例4.1对于MassSpringDashpot机械系统：(4.1)试建立该系统的连续和离散模型,并进行时域和频域仿真。解：程序源代码如下：%MODLDEMO.M演示各种建模与仿真（时域和频域）技巧clearall,closeall%程序开始

3、,清空工作空间,关闭所有窗口deletemodldemo.out,diarymodldemo.out%打开二进制文件disp(′***MODLDEMO.OUT***DiaryFileforMODLDEMO.M′),disp(′′)m=1%各种系统常数定义k=1%单位kg/s^2c=［2.02.51.20.0］%单位kg/s%创建系统的状态空间模型disp(′StateSpaceModels′)km=k/m;A1=［01;-km-c(1)/m］,A2=［01;-km-c(2)/m］A3=［01;-k

4、m-c(3)/m］,A4=［01;-km-c(4)/m］B=［01/m］′,C=［10］,D=［0］sys1s=ss(A1,B,C,D);sys2s=ss(A2,B,C,D);sys3s=ss(A3,B,C,D);sys4s=ss(A4,B,C,D);%仿真系统的脉冲和阶跃响应（时域）t=0:.2:15;y1=impulse(sys1s,t);y2=impulse(sys2s,t);y3=impulse(sys3s,t);y4=impulse(sys4s,t);figure(1)subplot(221

5、),plot(t,y1,′r′),title(′CriticalDamping―Impulse′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)subplot(222),plot(t,y2,′r′),title(′OverDamping―Impulse′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)subplot(223),plot(t,y3,′r′),title(′UnderDamping―Impulse′),gridxl

6、abel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)subplot(224),plot(t,y4,′r′),title(′NoDamping―Impulse′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)%y1=step(sys1s,t);y2=step(sys2s,t);y3=step(sys3s,t);y4=step(sys4s,t);figure(2)subplot(221),plot(t,y1,′r′),title(′Critica

7、lDamping―Step′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)subplot(222),plot(t,y2,′r′),title(′OverDamping―Step′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)subplot(223),plot(t,y3,′r′),title(′UnderDamping―Step′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)su

8、bplot(224),plot(t,y4,′r′),title(′NoDamping―Step′),gridxlabel(′Time′),ylabel(′SystemResponse′)disp(′hitanykeytocontinue′),pause%在Matlab中进行模型转化。对于m=k=1,系统简化的传递函数为%G(s)=1/［