第十三章 控制系统工具箱
一种智能工具箱的控制系统[发明专利]
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711022238.4(22)申请日 2017.10.27(71)申请人 贵州医科大学地址 550001 贵州省贵阳市云岩区北京路9号贵州医科大学(72)发明人 汪家文 黄江 王杰 夏冰 万昌武 刘芳 (74)专利代理机构 北京酷爱智慧知识产权代理有限公司 11514代理人 安娜(51)Int.Cl.G05B 19/042(2006.01)G01G 19/52(2006.01)G01D 21/02(2006.01)A61L 2/10(2006.01)(54)发明名称一种智能工具箱的控制系统(57)摘要本发明公开了一种智能工具箱的控制系统，所述控制系统包括：主控模块，工具检测模块，自动开关抽屉模块，消毒模块，电源模块；主控模块分别与工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块连接，所述电源模块分别与主控模块、工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块。
本发明可以实现抽屉的自动打开和关闭，自动检测每一个工具或器械的归位情况，并能够自动消毒对工具箱进行消毒。
权利要求书1页 说明书5页 附图13页CN 107656480 A 2018.02.02C N 107656480A1.一种智能工具箱的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：主控模块，工具检测模块，自动开关抽屉模块，消毒模块，电源模块；主控模块分别与工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块连接，所述电源模块分别与主控模块、工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块；所述主控模块，用于对工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块进行数据采集和控制；所述工具检测模块，用于检测工具的归位情况；所述自动开关抽屉模块，用于实现抽屉的自动开关，并指示抽屉的动作和状态；所述消毒模块，用于在抽屉关闭后对工具箱进行消毒；所述电源模块，用于为主控模块、工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块供电。
matlab各种应用工具箱参考
2021/3/10
讲解：XX
11
二、通用工具箱
• Matlab主工具箱
• 前面课程所介绍的数值计算、符号运算、 绘图以及句柄绘图都是matlab主工具箱 的内容，是matlab的基本部分，也是我 们课程的重点。
• Matlab主工具箱位于：
c:\matlab\toolbox\matlab
• matlab主工具箱是任何版本的matlab都
simulink 的一般结构：
输入
系统
输出
2021/3/10
讲解：XX
27
仿真原理
• 当在框图视窗中进行仿真的同时，matlab 实际上是运行保存于simulink内存中s函数 的映象文件，而不是解释运行该m文件。
• s函数并不是标准m文件，它m文件的一种 特殊形式。
结构图创建方法
• 一个动态系统的创建过程，就是一个方框 图的绘制过程
rose - Angle histogram plot.
compass - Compass plot.
feather - Feather plot.
fplot - Plot function.
comet - Comet-like trajectory.
2021/3/10
讲解：XX
17
Graph annotation. title - Graph title. xlabel - X-axis label. ylabel - Y-axis label. text - Text annotation. gtext - Mouse placement of text. grid - Grid lines.
高阶谱分析工具箱
2021/3/10
控制系统校正工具
控制系统校正工具在现代工业中，控制系统是保证生产运行正常的重要组成部分。
然而，由于各种因素的干扰，控制系统难免会出现误差，因此需要进行校正以提高系统的准确性和稳定性。
为了解决这个问题，各种控制系统校正工具应运而生。
一、什么是控制系统校正工具？控制系统校正工具是为了确保控制系统运行准确和稳定而设计的设备或软件。
它可以对控制系统的传感器、执行器和控制器进行校准和调整，以确保其输出与期望值相匹配。
控制系统校正工具通常包括以下几个方面的内容：1. 传感器校正工具：用于调整传感器的灵敏度、补偿温度漂移和消除误差，确保传感器输出准确可靠。
2. 执行器校正工具：用于校准执行器的控制范围、响应速度和动作精度，提高执行器的控制精度和工作效率。
3. 控制器校正工具：用于调整控制器的参数和工作模式，优化控制系统的稳定性和响应速度。
二、控制系统校正工具的应用领域控制系统校正工具广泛应用于各个领域，涵盖了许多不同的行业和应用场景。
以下是几个主要的应用领域：1. 工业自动化：在生产线、工厂或仪表控制系统中，控制系统校正工具可以帮助工程师对各种传感器和执行器进行准确校准，确保生产过程的稳定性和产品质量的一致性。
2. 医疗设备：在医疗器械和医疗仪器中，控制系统校正工具可以用于校准血压计、体温计等传感器设备，确保医疗数据的准确性，提高医疗诊断和治疗的效果。
3. 能源管理：在能源管理系统中，控制系统校正工具可以用于校准压力传感器、流量计等仪表设备，确保能源流程的稳定和测量数据的可靠性，提高能源利用效率。
4. 航空航天：在飞行控制系统中，控制系统校正工具可以对飞行器的姿态传感器和推力调节系统进行校准，确保飞行器的安全稳定。
三、控制系统校正工具的优势和挑战控制系统校正工具的使用具有很多优势，带来了诸多便利：1. 提高准确性：通过校准工具对控制系统进行校正，可以大大提高系统的准确性和精度，确保输出结果与期望值尽可能一致。
2. 保证稳定性：校准工具可以对控制系统的参数和工作模式进行调整，从而提高系统的稳定性和响应速度，减少误差和振荡。
利用rltool工具进行控制系统设计
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ
ＭＡＴ ＡＢ Ｌ
Ｒｏ ｔ Ｉ ｃ ｓ ｏ ． ｕ Ｍｅ ｏ ￣ ｈ ｔｄ
Ｇｒ ｐ ｉ ａ Ｕｓ ｒ Ｉ ｔ ｒ ｃ Ｒｈｏ ｌ Ｃｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｓｇ ａ ｈｃ ｌ ｅ ｎｅｆ ｅ ａ ｏ ｎ ｒ ｌ Ｓ ｓｅ Ｄｅ ｉ ｎ
控 制 系统 工 具 箱
下角 的按钮 可 以切换 正／ 反 馈 。 佰
版 本 （ 应 于 ＭＡ Ｌ Ｂ ． 本 ）中 提 供 了 一 个 基 于 根 轨 对 Ｔ ￣ ５２版 迹 的 系 统 设 计 工 具 ｄｏｌ 该 工 具 为 控 制 系 统 的 设 计 提 供 了 ｔ ，
～
个 交 互 式环 境 。它 采 用 图形 用 户 界 面 ， 引入 对 象 的 模 型
器 的零 点 ； 四个 按钮 为 删 除补 偿 器 的零 极 点 。 第 增 益 编 辑 框 （ ａ ） 许 用 户 改 变 设 定 点 （ 制 区 中的 Ｇｉ 允 ｎ 绘
小 方 块 ）的 增 益 值 ， 而 改 变 闭 环 系 统 的 极 点 位 置 。 从
绘 制 区 用 于显 示 系 统 的根 轨 迹 ， 若选 中栅 格框 （ ｉ ） Ｇｒ ｄ 将 出 现 等 阻 尼 比 、 无 阻 尼 自然 频 率 的栅 格 线 ， 可 以绘 等 还 制 出希 望 闭环 极 点 区域 的边 界线 。绘 制 区 中的 小方 块代 表
增 益 编 辑 框 的 增 益 值 所 对 应 的 闭 环 极 点 ，ｘ 代 表 开 环 极 ” 点 ，ｏ代 表 开 环 零 点 。
坐 标 轴 设 置 区 （ ｘ ｓ ｓｔｎ ｓ Ａ ｅ ｔ ｇ ）用 于 存诹 根 轨 迹 图 的 ｅ ｉ 坐标 范 围和切 换 正 方彤伥 方形 ｔ ｌｓｓ ｍ ｏ ｌｏ ） ． ｃｎｒ ｙｔ ｔ ｂ ｘ ４ １及 以上 ｏ ｅ
自动控制原理目录模板
自动控制原理目录模板前言
1. 简介
2. 目的与意义
第一章自动控制系统基础
1. 传感器与执行器
1.1 传感器概述
1.2 执行器概述
2. 控制系统的要素
2.1 反馈控制与前馈控制
2.2 控制误差与修正
3. 自动控制系统的分类
3.1 开环控制系统
3.2 闭环控制系统
3.3 连续控制系统与离散控制系统
第二章自动控制原理
1. 控制算法
1.1 比例控制算法
1.2 比例-积分控制算法
1.3 比例-微分控制算法
1.4 PID控制算法
2. 系统建模
2.1 传递函数模型
2.2 状态空间模型
2.3 信号流图
3. 控制器设计
3.1 根轨迹法
3.2 频域法
3.3 状态空间法
第三章自动控制系统应用
1. 温度控制系统
1.1 温度传感器介绍
1.2 温度控制器选择与参数调节方法
2. 液位控制系统
2.1 液位测量方法
2.2 液位控制器选择与参数调节方法
3. 速度控制系统
3.1 速度传感器介绍
3.2 速度控制器选择与参数调节方法
结论
1. 自动控制原理的重要性
2. 对自动控制系统应用的总结
参考文献
附录
1. 传感器与执行器的详细说明
2. 控制系统的数学模型推导
3. 控制器设计案例分析
以上是根据题目"自动控制原理目录模板"编写的目录，根据此目录模板可以细化撰写文章的各个章节内容。
控制系统工具箱简介
SISO设计工具
在命令空间中输入sisotool既可进入SISO补 偿设计窗口，也可直接指定设计对象，调用形式 为sisotool(sys)。
该工具允许使用 根轨迹、波特图、尼 科尔斯图等手段进行 系统补偿设计。同时 可对系统进行阶跃响 应等各种LTI分析。
SISO设计工具的使用
导入系统数据：包括系统结构及相应模型
二、控制系统工具箱使用
控制系统工具箱用于完成一般控制系统工程设计是， 主要内容包括以下三个方面：
模型建立：描述如何建立线性模型、模型连接， 确定模型特征，离散时间模型和连续时间模型之间的转 换，模型的降阶处理。
模型分析：图形化用户界面（GUI）的设计工 具—LTI Viewer，使得观察系统响应变得非常简单。
通过 ltidemo 分别 执行模型建立、离散时 间模型、访问模型数据、 模型连接、模型类型转 换、连续／离散转换等 演示。熟悉工具箱中函 数用法。
图形化的模型分析工具LTI Viewer
LTI Viewer 可以对系统进行阶跃响应、脉冲响应、 波特图、奈奎斯特图等的分析，同时还可以直接从 SIMULINK环境下的结构图中指定输入输出点所产生 的系统进行分析。
一、MATLAB工具箱的简介
功能型工具箱：主要用来扩充MATLAB的符号计 算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件 实时交互功能，可用于多种学科中；
领域型工具箱：是专业性很强的工具箱，如控制 系统工具箱、信号处理工具箱、神经网络工具箱等。
注意：在每个工具箱中有一个Contents文件，在文 件中将该工具箱里的所有函数其作用功能一一列出，可 以在使用前先看此文件，找到要用的函数后，在命令空 间里键入help 文件名，即可查到相应函数的调用格式。
控制设计工具箱
控制设计工具箱
佚名
【期刊名称】《《现代制造》》
【年(卷),期】2009(000)029
【摘要】MLS风轮机控制设计（WTCD）工具箱是一套建立在MATLAB基础上的软件开发和分析工具组。
其包含多种建模，设计和分析工具，旨在帮助工程师迅速处理所有和控制设计、控制器的性能评价和载荷计算相关的任务。
【总页数】1页(P41)
【正文语种】中文
【中图分类】TP317.4
【相关文献】
1.MATLAB 的数据采集工具箱--一种与硬件设备通讯的新工具箱 [J], 法林;陈文辉;董大群
2.MATLAB工具箱Sisotool工具箱在控制系统补偿器中的应用 [J], 王晓东;张岳
3.MATLAB下GA工具箱和ANN工具箱联合使用的实现技术 [J], 申伟科;钟理;李伍举
4.系统维护工具箱——魔豆精灵眩光工具箱 [J],
5.NI LabVIEW 新添控制设计和仿真工具套件——新型交互式控制设计工具包为开发实时控制系统提供解决方案 [J],
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ControlSystemToolbox（控制系统工具箱）
Control System Toolbox设计和分析控制系统产品概览1:56Control System Toolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
您可以将您的系统指定为传递函数、状态空间、零极点增益或频率响应模型。
通过交互式工具和命令行函数（如阶跃响应图和波特图），您可以实现时域和频域中系统行为的可视化效果。
可以使用自动PID 控制器调节、波特回路整形、根轨迹方法、LQR/LQG 设计及其他交互式和自动化方法来调节补偿器参数。
您可以通过校验上升时间、超调量、稳定时间、增益和相位裕度及其他要求来验证您的设计。
Control System ToolboxDesign and analyze control systemsProduct Overview1:56Control System Toolbox™ provides industry-standard algorithms and tools for systematically analyzing, designing, and tuning linear control systems. You can specify your system as a transfer function, state-space, pole-zero-gain, or frequency-response model. Interactive tools and command-line functions, such as step response plot and Bode plot, let you visualize system behavior in time domain and frequency domain. You can tune compensator parameters using automatic PID controller tuning, Bode loop shaping, root locus method, LQR/LQG design, and other interactive and automated techniques. You can validate your design by verifying rise time, overshoot, settling time, gain and phase margins, and other requirements.简介Control System Toolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
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个选项： 【Open-Loop Nichols】—对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。 【Prefilte Bode】——对环节 F 伯德图编辑区进行设置。 上述 4 种设置均与单击右键的弹出菜单一致，主要内容包括增加/删除零极点、设置给定系统参数
当指定的标记点被设置成活动状态时（默认状态），用鼠标可拖动标记点沿所在曲线运动，与之对应的数
据显示框随同运动并显示所在点的变量和函数值。在曲线或活动标记点上单击右键，会弹出如图 13.1.6 所
示菜单，可以完成对选择标记点及对应的数据显示框属性的设置：
【Alignment】—设置数据显示框相对于标记点的位置（上右、上左、下右、下左）。
232
Workspace 中的系统模型，显示如图 13.1.8 所示 LTI Viewer 窗口，从图中分析系统的上升时间 tr = 3.01s ， 峰值时间 tp = 4.55s ，超调量δ p = 16.3% 。
导入系统对象模型时，每次只能导入一个，若要导入多个模型进行比较时，可重复上述操作。 2．LTI Viewer 窗口设置 单击【Edit】∣【Plot Configurations】，选择显示 6 个窗口，并设置每个窗口响应的类型，则显示如图 13.1.9 所示的窗口。
解：1、在 MATLAB 命令窗口输入
sys=tf([0.64],[1,0.8,0.64])
ltiview
图 13.1.7 Import 对话框
图 13.1.8 LTI Viewer 主窗口
进入 LTI Viewer 浏览器，单击【File】∣【Import】，进入如图 13.1.7 所示的 Import 对话框，选择在
13.1.2 LTI Viewer 命令菜单及窗口设置
1、 File 菜单 【New Viewer】—建立一个新的 LTI Viewer 窗口。 【Import】—导入系统对象模型。 【Expot】—将当前 LTI Viewer 窗口中的指定系统的对象模型保存到工作空间（Workspace）或者以.mat
【Root Locus】——显示/取消根轨迹图编辑区。 【Open-Loop Bode】—显示/取消伯德图编辑区。 【Open-Loop Nichols】—显示/取消尼柯尔斯图编辑区。 【Prefilter Bode】—显示/取消环节 F（前置滤波器环节）伯德图编辑区。 【System Data】—显示环节 G 和环节 H 的传递函数。 【Closed-Loop Poles】—显示闭环极点列表。 【Design History】—显示设计过程历史纪录。 4、 Compensators 菜单 【Edit】—根据选择对环节 C 和环节 F 进行设计或对已有的设计进行编辑（零极点的增加和删除）。 【Store/Retrieve】—保存或使用所设计的对环节 C 和环节 F，主要用于多种设计方案的比较。 【Clear】—根据选择将环节 C 和环节 F 的传递函数置为 1。 5、 Analysis 菜单 【Response to Step Command】—在弹出的图形窗口中显示系统阶跃响应曲线。 【Rejection of Step Disurbance】—在弹出的图形窗口中显示系统对阶跃扰动的抑制曲线。 【Closed-Loop Bode】—在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。 【Compensator Bode】—在弹出的图形窗口中显示环节 C 的伯德图。 【Open-Loop Nyquist】—在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。 【Other Loop Responses】—选择所希望的各类显示曲线，如图 13.2.2 所示，在各曲线显示区内， 均可以象应用 LTI Viewer 一样对各显示曲线进行操作。
图 13.2.1 SISO Design Tool 快捷工具栏 快捷工具栏中的快捷工具图标的作用从左至右分别是：操作位置指示、添加单极点、添加单零点、添 加共轭极点、添加共轭零点、删除极点或零点、图形局部放大、水平坐标放大、垂直坐标放大、复原放大 图形、活动帮助指示。 在工作区的右上部有一系统结构图显示区，单击【FS】可以产生 4 种系统结构供用户选择，单击【+/-】 按钮可改变反馈的极性。 在工作区中有两个图形显示区：根轨迹和开环系统 Bode 图编辑区。当调入系统对象模型后，显示系 统结构图组成的系统的根轨迹图和开环系统 Bode 图。 在工作区的左上部为环节 C 传递函数显示区。
等，Plot Configurations 对话框如图 13.1.2 所示。
230
【Refresh Systems】—当用 Plot Configurations 命令使 LTI Viewer 窗口的显示配置发生变化后，使用此 命令会使各曲线显示区中的曲线处于最佳显示位置。
【Delete Systems】—选择删除当前窗口中的对象模型。 【Line Styles】—对显示曲线的颜色、线形、标记、坐标网格等属性进行设置，Line Styles 对话框如图 13.1.3 所示。 【Viewer Preference】—对当前窗口的坐标单位、范围、窗口颜色、字体等窗口进行设置，并且该设 置对当前 LTI Viewer 窗口内所有曲线显示有效，Viewer Preference 对话框如图 13.1.4 所示， Units 选择卡：设置图形显示时的频率、幅值以及相位的单位。 Style 选择卡：设置图形显示时的字体、颜色以及绘图网格。 Characteristics 选择卡：设置系统响应曲线的特性参数。 Parameters 选择卡：设置系统响应输出的时间变量与频率变量。
在两采样点间采用线性插值，根据插值数据运动（连续）。
图 13.1.6 数据显示菜单
【Trace Mode】—根据对 x,y,xy 三种方式的选择，标记点沿着所选择的方向运动。
例 13.1.1 典型二阶系统的传递函数为
应用 LTI Viewer 对系统进行分析。
G(s)
=
s2
+
0.64 0.8s +
0.64
第十三章 控制系统工具箱
控制系统工具箱是建立在MATLAB对控制工程提供的设计功能的基础上，为控制系统的建模、分析、 仿真提供了丰富的函数与简便的图形用户界面。
在MATLAB中，专门提供了面向系统对象模型的系统设计工具：线性时不变系统浏览器（LTI Viewer） 和单输入单输出线形系统设计工具（SISO Design Tool）。利用这些工具，可以更加方便地研究和设计系统。 控制系统工具箱允许使用经典控制理论和现代控制理论，对连续控制系统和离散控制系统进行仿真分析。
【Full View】—使用系统提供的最大采样数显示曲线。
图 13.1.5 曲线显示菜单
【Properties】—设置曲线图的名称、坐标范围、单位、字体、颜色等属性，确定重要参数点的范围（如
上升时间等）、相位图显示范围等。与双击曲线显示窗口弹出的设置菜单一致。
⑵数据显示框的属性设置
在选定的曲线显示框中单击显示曲线，会出现活动标记点及对应的数据显示框，多处单击会多处出现。
图 13.1.1 Toolbox Preferences 对话框
图 13.1.2 Plot Configurations 对话框
2、 Edit 菜单
【Plot Configurations】—对显示窗口及显示内容进行配置，可以选择 LTI Viewer 所绘制曲线的布局以
及不同绘制区域曲线的响应类型选择，其中响应类型主要有 Step、Impulse、Bode、Nyquist、Nichols、Pole/Zero
文件的形式保存在磁盘上。 【Toolbox Preferences】—对新建立或重新启动的 LTI Viewer 窗口属性进行设置，对当前窗口无效。这
些属性包括坐标单位、对系统指示参数的描述(如调节时间的定义、上升时间的定义等）、坐标颜色、坐标 字体大小等，Toolbox Preferences 对话框如图 13.1.1 所示。
【Characteristics】—显示重要参数点标记和标记线。根据选择曲线的不同会有
不同的设置。对时域曲线的设置主要包括上升时间、峰值时间、进入稳态时间、稳
态域标识时间等标记或标记线。对频域曲线的设置主要包括峰值响应幅度裕量点、ຫໍສະໝຸດ 相交裕量点等标记或标记线。
【Grid】—显示/取消显示坐标网格。
【Normalize】—对纵坐标归一化。
图 13.1.3 Line Styles 对话框
图 13.1.4 Viewer Preference 对话框
13.1.3 LTI Viewer 对象模型
在利用 LTI Viewer 进行系统分析时，必须将系统模型（传递函数模型、零极点增益模型、状态空间模 型）转换为对象模型，LTI 对象有如下三种形式：
⑴tf 对象 【调用格式】
sys=tf(num,den) 【说明】将由传递函数模型所描述系统封装成对应的系统对象模型。 ⑵ss 对象 【调用格式】
sys=ss(a,b,c,d) 【说明】将由状态空间模型所描述的系统封装成对应的系统对象模型。 ⑶zpk 对象 【调用格式】
sys=zpk(z,p,k) 【说明】将由零极点增益模型所描述系统封装成对应的系统对象模型。
图 13.1.9 系统响应曲线
13.2 单输入单输出系统设计工具—SISO Design Tool
13.2.1 SISO Design Tool 简介
使用 LTI Viewer 使得用户对系统的线性分析变得简单而直观，但 LTI Viewer 只是控制系统工具箱中所 提供的较为简单的工具，主要用来完成系统的分析与线性化处理，而并非系统设计。
SISO Design Tool 设计器是控制系统工具箱所提供的一个非常强大的单输入单输出线性系统设计器， 它为用户提供了非常友好的图形界面。在 SISO 设计器中，用户可以使用根轨迹法与 Bode 图法，通过修改 线性系统零点、极点以及增益等传统设计方法进行 SISO 线性系统设计。