matlab在机械控制中的应用

matlab在机械控制中的应用

姓名：xxx

学号：2010232

专业：机械制造及其自动化

Matlab在机械工程操纵中的应用

摘要：MATLAB是由美国mathworks公司公布的要紧面对科学运算、可视化以及交互式程序设计的高科技运算环境。它将数值分析、矩阵运算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值运算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在专门大程度上摆

脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学运算软件的先进水平。

一、机械工程操纵简介

机械操纵工程是研究操纵论在机械工程中应用的科学。它是一门跨操纵论和机械工程的边缘学科。随着工业生产和科学技术的持续向前进展，机械工程操纵论这门新兴学科越来越为人们所重视。他不仅满足今天自动化技术高度进展的需要，同时也与信息科学和系统科学紧密有关，更重要的是它提供了辩证的系统分析方法，即不但从局部，而且从整体上认识和分析机械系统，改进和完善机械系统，以满足科技的进展和工业生产的实际需要。

机械工程操纵论的研究对象与任务

机械工程操纵论的研究对象是机械工程技术中广义系统的动力学咨询题。具体地讲，机械操纵路是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系，也确实是研究机械工程广义系统在一定的外界条件下，从系统的一定初始条件动身，所经历有内部的固有属性所决定的整个动态历程。就系统及其输入、输出三者之间动态关系而言，机械工程操纵论的任务要紧研究一下几方面的为题：

（1）当系统已定，输入已知时，求出系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关为题，称系统分析。

（2）当系统已定，系统的输出也已给定是，要确定系统的输出尽可能符合给定的最佳要求，称系统的最优操纵。

（3）当输入已知输出也一给定时，要确定系统，使其可能符合给定的最佳要求，称最优设计。

（4）当输入和输出均已知时，求系统的结构参数，即建立系统的数学模型，称系统的便是或系统识不。

（5）当系统已定输出已知时，要识不输出输出输入的有关信息，成滤波与推测。

1.2操纵系统的工作原理与组成

所谓操纵系统，是指系统的输出能按照要求的参考输入或操纵输出进行调剂的系统。操纵系统的工作原理能够归纳如下：

检测被控量或输出量的实际值。

将实际值与给定值进行比较得出的偏差值。

用片擦偏差值产生操纵调剂作用去排除偏差。

操纵系统分为闭环操纵系统和开环操纵系统。闭环操纵系统一样由给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及矫正元件等单元组成。当一个系统没有反馈回路时，称之为开环系统。开环系统较闭环系统简单，其系统组成没有反馈元件和比较元件。

1．3系统的数学模型

为了从理论上对操纵系统的性能进行分析，首要任务确实是建立系统的数学模型。系统的数学模型是描述系统的输入量、输出量以及内部变量之间关系的数学表达式，它揭示了系统结构及其参数与其性能之间的内在关系。系统的数学模型有多种形式，这取决于变量与坐标的选择，在时域，数学模型一样采纳微分方程获一阶微分方程组表示；在频域，则采纳传递函数和频率特性来表示。

建立系统的数学模型，通常采纳解析法和实验法。解析法确实是依据系统本身所遵循的有关物理定律列写数学表达式，在列写方程的过程中往往要进行必要的化简。实验法适用于较复杂的系统。当研究者对系统的构成、机理、信息传递等缺乏了解，无法用解析法建立系统的数学模型是，必须按照系统对某些典型输入信号的响应或其他实验数据来建立系统的数学模型，这种用实验数据建立的数学模型的方法也称为系统辨识。

二、MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWo rks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值运算的高级技术运算语言和交互式环境，要紧包括MATLAB和Simuli nk两大部分。MATLAB能够进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，要紧应用于工程运算、操纵设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领

域。MATLAB产品族能够用来进行一下各种工作：数值分析、数值和符号运算、工程与科学绘图、操纵系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程。Simulink是Matlab的重要组成部分，是面向结构的系统仿真软件，在可视化的动态系统仿真中，它采纳系统模块直观地描述系统，可十分方便地建立系统模型，并可对系统进行模拟或线性化处理。因此MATLAB为系统的建模分析和设计提供了有力的手段。

三、MATLAB在机械工程操纵中的应用

MATLAB的名称源自MatLaboratory，它是一种科学运算软件．专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值运算和可视化集成在一起。并提供了大量的内置函数．从而被广泛地应用于科学运算、操纵系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。而且利用MATLAB产品的开放式结构．能够专门容易地对MAllAB的功能进行扩充。操纵系统工具箱是MA TLAB软件包中专门针对操纵系统工程设计的函数和工具的集合．要紧用于反馈操纵系统的分析、设计和仿真。所涉及的领域涵盖经典操纵理论和现代操纵理论的大部分内容。包括根轨迹、极点设置和线性二次最优操纵器设计等。操纵系统工具箱既可适用于连续时刻系统，也适用于离散时刻系统．同时能够实现不同模型之间的相互转换。用户还能够轻松地绘制系统的时域或频域响应和开环系统的根轨迹图。MATLAB自身提供的开放式环境，能够让用户通过M文件建立自己的操纵模型和操纵算法。

3.1数学模型的MA TLAB的描述

MATLAB的操纵系统工具箱，要紧处理以传递函数为要紧特点的经典操纵和以状态空间为要紧特点的现代操纵中的咨询题。该工具箱为操纵系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案，是MATLAB最有力和最差不多的工具箱之一。概括地讲，操纵系统工具箱具有以下几方面的功能：

系统建模。操纵系统工具箱同时支持连续系统和离散系统，能够建立系统的状态空间模型、传递函数模型及传递函数零极点增益模型，并可实现任意两者之间的转换、可通过串联、并联、反馈连接及更一样的框图建

模来建立复杂系统的模型；可通过多种方式实现连续系统的离散化、离散系统的连续化及重采样。

（2）系统分析。操纵系统工具箱不仅支持对单输入单输出系统的分析，也支持对多输入所输出系统的分析。系统的频率特性，可支持系统的Bode图、Nyquist图和Nichols图的运算和绘制。对系统的时域响应，可支持对系统的单位阶跃响应、单位脉冲响应、零输入响应，以及更广泛的对任意输入信号的响应进行分析和仿真。

（3）系统设计。操纵系统工具箱可运算系统的各种特性，如可控和可观Gramian矩阵、系统的可控和可观矩阵、传递函数零极点；频域特性如稳态裕度、阻尼系数，以及根轨迹的增益选择等。可支持系统的可控、可观标准型实现、均衡实现、降价实现以及输入延时的Pade估量。可进行系统的极点配置，观测器设计以及LQ和LQG最优操纵等。

3.2用MATLAB分析时刻响应

在MATLAB中能够用impulse函数、step函数和lsim函数对线性连续系统的时刻相应进行仿真运算。在求出系统的单位阶跃响应后，按照系统瞬态性能指标的定义，能够得到系统的上升时刻、峰值时刻、最大超调量和调整时刻等性能指标。

3.3利用MATLAB分析频率特性

Nyquist图和Bode图是系统频率特性的两种重要的图形表达形式，也是对系统进行频率进行特性分析的的重要方法。不管是Nyquist图依旧Bod e图，都专门适用于用运算机进行绘制。MATLAB提供了绘制系统那个的频率特性极坐标的图的nyquist函数和绘制对数坐标的bode函数，通过这些函数，不仅能够得到系统的频率特性图，而且还能够通过运算得到系统的频域特点量。

3.4利用MATLAB分析系统的稳固性

在MATLAB中，如果已知系统的特点方程，极易求出系统的特点根。按照特点根的分布情形，判定系统是否稳固。另外，在MATLAB中还提供了直截了当求解系统幅值裕度和相位裕度的函数，通过这些函数能够直截了当分析函数是否稳固以及系统的相对稳固性。

3.5利用MATLAB设计系统校正

系统设计校正的方法是基于Bode图的频率分析法。

3.6利用MATLAB绘制相轨迹

绘制系统的相轨迹图的关键在于如何求系统微分方程在一定条件下的数值解。而用MATLAB求微分方程数值解专门简单。

3.6利用MATLAB分析线性离散系统

与可用于线性连续系统函数分析相对应，MATLAB提供了用于线性离散系统分析的和设计的函数。

3.7利用MATLAB估量系统的模型

四、结论：

MATLAB是一件系统建模、仿真和分析的强有力工具，Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含操纵语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户能够在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也能够先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特点与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非运算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程运算各个领域的重要缘故。

参考文献：

[1]刘瑞桢. MATLAB系列讲座——MA TLAB简介[J]. 电脑编程技巧与爱护

[2] 杨建强,罗先香. MATLAB软件工具箱简介[J]. 水科学进展

[3] 刘胜,邓志红,孙静川, MATLAB软件的绘图功能简介[J]. 电脑学习