基于MATLAB的控制系统仿真及应用 (1)
应用MATLAB控制系统仿真
01
根据系统性能要求，设计比例、积分、微分控制器参数，优化
系统性能。
状态反馈控制器设计
02
通过状态反馈控制器设计，实现系统的最优控制。
鲁棒控制器设计
03
针对不确定性系统，设计鲁棒控制器，提高系统对参数变化的
适应性。
04
控制系统仿真的动态行为，通过建立和求解微 分方程来模拟系统的动态响应。
性能等。
05
Matlab控制系统仿真实 例
一阶系统仿真
总结词：简单模拟
详细描述：一阶系统是最简 单的控制系统，其动态行为 可以用一个一阶微分方程描 述。在Matlab中，可以使用 `tf`函数创建一个一阶传递函 数模型，然后使用`step`函 数进行仿真。
总结词：性能分析
详细描述：通过仿真，可以 观察一阶系统的响应曲线， 包括超调和调节时间等性能 指标。使用Matlab的绘图功 能，可以直观地展示系统的 动态行为。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
适用于模拟数字控制系统、采样控制系统等。
实时仿真
01
在实际硬件上实时模拟控制系统的动态行为，通过将
控制算法嵌入到实际控制系统中进行实时仿真。
02
使用Matlab中的`real-time workshop`等工具箱进
行建模和仿真，可以方便地实现实时仿真。
03
适用于模拟实际控制系统、验证控制算法的正确性和
实时仿真
Matlab支持实时仿真，可以在实 际硬件上运行控制算法，进行系 统测试。
02
控制系统数学模型
线性时不变系统
线性时不变系统（LTI）是指系统的输出与输入之间的关系 可以用线性常数来描述的系统。在控制系统中，LTI系统是 最常见的系统类型之一。
实验一指导书MATLAB在控制系统模型建立与仿真中应用
实验一MATLAB 在控制系统模型建立与仿真中地应用一、MATLAB 基本操作与使用1. 实验目地1)熟悉MATLAB工作环境平台及其各个窗口,掌握MATLAB 语言地基本规定,MATLAB图形绘制功能、M 文件程序设计.2) 学习使用MATLAB控制系统工具箱中线性控制系统传递函数模型地相关函数.2. 实验仪器PC计算机一台,MATLAB软件1套3. 实验内容1) MATLAB工作环境平台Command Window图1 在英文Windows 平台上地MATLAB6.5 MATLAB工作平台①命令窗口（Command Window）命令窗口是对 MATLAB 进行操作地主要载体,默认地情况下,启动MATLAB 时就会打开命令窗口,显示形式如图 1 所示.一般来说,MATLAB地所有函数和命令都可以在命令窗口中执行.掌握 MALAB 命令行操作是走入 MATLAB 世界地第一步.命令行操作实现了对程序设计而言简单而又重要地人机交互,通过对命令行操作,避免了编程序地麻烦,体现了MATLAB 所特有地灵活性.p1Ean。
在运行MATLAB后,当命令窗口为活动窗口时,将出现一个光标,光标地左侧还出现提示符“>>”,表示MATLAB正在等待执行命令.注意：每个命令行键入完后,都必须按回车键！DXDiT。
当需要处理相当繁琐地计算时,可能在一行之内无法写完表达式,可以换行表示,此时需要使用续行符“…”否则 MATLAB 将只计算一行地值,而不理会该行是否已输入完毕.使用续行符之后 MATLAB 会自动将前一行保留而不加以计算,并与下一行衔接,等待完整输入后再计算整个输入地结果.在 MATLAB 命令行操作中,有一些键盘按键可以提供特殊而方便地编辑操作.比如：“↑”可用于调出前一个命令行,“↓”可调出后一个命令行,避免了重新输入地麻烦.当然下面即将讲到地历史窗口也具有此功能.jLBHr。
②历史窗口（Command History）历史命令窗口是 MATLAB6 新增添地一个用户界面窗口,默认设置下历史命令窗口会保留自安装时起所有命令地历史记录,并标明使用时间,以方便使用者地查询.而且双击某一行命令,即在命令窗口中执行该命令.xHAQX。
MATLAB实验报告3-控制系统仿真
MATLAB 实验报告3 控制系统仿真1、一个传递函数模型： )6()13()5(6)(22++++=s s s s s G 将该传递函数模型输入到MATLAB 工作空间。
num=6*[1，5];den=conv(conv([1，3，1]，[1，3，1])，[1，6]);tf(num,den)2、 若反馈系统为更复杂的结构如图所示。
其中2450351024247)(234231+++++++=s s s s s s s s G ，s s s G 510)(2+=，101.01)(+=s s H 则闭环系统的传递函数可以由下面的MATLAB 命令得出：>> G1=tf([1,7,24,24],[1,10,35,50,24]);G2=tf([10,5],[1,0]);H=tf([1],[0.01,1]);G_a=feedback(G1*G2,H)得到结果：Transfer function:0.1 s^5 + 10.75 s^4 + 77.75 s^3 + 278.6 s^2 + 361.2 s + 120 -------------------------------------------------------------------- 0.01 s^6 + 1.1 s^5 + 20.35 s^4 + 110.5 s^3 + 325.2 s^2 + 384 s + 1203、设传递函数为：61166352)(2323++++++=s s s s s s s G 试求该传递函数的部分分式展开num=[2,5,3,6];den=[1,6,11,6];[r,p,k]=residue(num,den)图 复杂反馈系统4、给定单位负反馈系统的开环传递函数为：)7()1(10)(++=s s s s G 试画出伯德图。
利用以下MATLAB 程序，可以直接在屏幕上绘出伯德图如图20。
>> num=10*[1,1];den=[1,7,0];bode(num,den)5、已知三阶系统开环传递函数为：)232(27)(23+++=s s s s G画出系统的奈氏图，求出相应的幅值裕量和相位裕量，并求出闭环单位阶跃响应曲线。
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告
《MATLAB与控制系统仿真》实验报告一、实验目的本实验旨在通过MATLAB软件进行控制系统的仿真，并通过仿真结果分析控制系统的性能。
二、实验器材1.计算机2.MATLAB软件三、实验内容1.搭建控制系统模型在MATLAB软件中，通过使用控制系统工具箱，我们可以搭建不同类型的控制系统模型。
本实验中我们选择了一个简单的比例控制系统模型。
2.设定输入信号我们需要为控制系统提供输入信号进行仿真。
在MATLAB中，我们可以使用信号工具箱来产生不同类型的信号。
本实验中，我们选择了一个阶跃信号作为输入信号。
3.运行仿真通过设置模型参数、输入信号以及仿真时间等相关参数后，我们可以运行仿真。
MATLAB会根据系统模型和输入信号产生输出信号，并显示在仿真界面上。
4.分析控制系统性能根据仿真结果，我们可以对控制系统的性能进行分析。
常见的性能指标包括系统的稳态误差、超调量、响应时间等。
四、实验步骤1. 打开MATLAB软件，并在命令窗口中输入“controlSystemDesigner”命令，打开控制系统工具箱。
2.在控制系统工具箱中选择比例控制器模型，并设置相应的增益参数。
3.在信号工具箱中选择阶跃信号，并设置相应的幅值和起始时间。
4.在仿真界面中设置仿真时间，并点击运行按钮，开始仿真。
5.根据仿真结果，分析控制系统的性能指标，并记录下相应的数值，并根据数值进行分析和讨论。
五、实验结果与分析根据运行仿真获得的结果，我们可以得到控制系统的输出信号曲线。
通过观察输出信号的稳态值、超调量、响应时间等性能指标，我们可以对控制系统的性能进行分析和评价。
六、实验总结通过本次实验，我们学习了如何使用MATLAB软件进行控制系统仿真，并提取控制系统的性能指标。
通过实验，我们可以更加直观地理解控制系统的工作原理，为控制系统设计和分析提供了重要的工具和思路。
七、实验心得通过本次实验，我深刻理解了控制系统仿真的重要性和必要性。
MATLAB软件提供了强大的仿真工具和功能，能够帮助我们更好地理解和分析控制系统的性能。
基于MATLAB控制系统仿真实验报告
tf 4
y0
0 1
6、求出 G1(s)
2 (s2 2s 1) 与 G2 (s)
1 (2s3
3s2
1)
的单位阶跃响应，并分别
求出状态空间模型。
解：（1） G1(s) 2 (s2 2s 1) 的状态空间模型求解如下：
function shiyan2 b1=[2];
D(z)
0.62(1 0.136z 1)(1 0.183z (1 0.045z 1)(1 0.53z 1)
1 )
分别用仿真算法得到系统在单位阶跃输入作用下的响应，系统在单位速度输
入是的输出响应。
解：（1）首先将 W1(s)转换为 W1(z)，采样周期 T=0.2s，程序清单如下： function shiyan42 num=[10];den=[0.005 0.15 1 0]; ts=0.2;[nc,dc]=c2dm(num,den,ts)
INTRO（注意：intro 为一个用 MATLAB 语言编写的幻灯片程序，主要演示
常用的 MATLAB 语句运行结果。）
然后，根据现实出来的幻灯片右面按钮进行操作，可按 START——NEXT—
—NEXT 按钮一步步运行，观察。
3、自编程序并完成上机编辑，调试，运行，存盘：
（1）用 MATLAB 命令完成矩阵的各种运算，例如：
5、利用 ode23 或 ode45 求解线性时不变系统微分方程 y(t) Ay(t) ，并绘制出 y(t)
曲线，式中
A
0.5
1
1 0.5
t t0 t 如下： function xdot=fun21(t,x) A=[-0.5 1;-1 -0.5]; xdot=A*x; function fzsy22 t0=0;tf=4;tol=1e-6; x0=[0;1];trace=1; [t,x]=ode23('fun21',t0,tf,x0,tol,trace); plot(t,x) 得到的实验结果如下图所示：
基于MATLAB控制系统的仿真与应用毕业设计论文
基于MATLAB控制系统的仿真与应用毕业设计论文目录一、内容概括 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 研究目的和内容 (5)二、MATLAB控制系统仿真基础 (7)三、控制系统建模 (8)1. 控制系统模型概述 (10)2. MATLAB建模方法 (11)3. 系统模型的验证与校正 (12)四、控制系统性能分析 (14)1. 稳定性分析 (14)2. 响应性能分析 (16)3. 误差性能分析 (17)五、基于MATLAB控制系统的设计与应用实例分析 (19)1. 控制系统设计要求与方案选择 (20)2. 基于MATLAB的控制系统设计流程 (22)3. 实例一 (23)4. 实例二 (25)六、优化算法在控制系统中的应用及MATLAB实现 (26)1. 优化算法概述及其在控制系统中的应用价值 (28)2. 优化算法介绍及MATLAB实现方法 (29)3. 基于MATLAB的优化算法在控制系统中的实践应用案例及分析对比研究31一、内容概括本论文旨在探讨基于MATLAB控制系统的仿真与应用，通过对控制系统进行深入的理论分析和实际应用研究，提出一种有效的控制系统设计方案，并通过实验验证其正确性和有效性。
本文对控制系统的基本理论进行了详细的阐述，包括控制系统的定义、分类、性能指标以及设计方法。
我们以一个具体的控制系统为例，对其进行分析和设计。
在这个过程中，我们运用MATLAB软件作为主要的仿真工具，对控制系统的稳定性、动态响应、鲁棒性等方面进行了全面的仿真分析。
在完成理论分析和实际设计之后，我们进一步研究了基于MATLAB 的控制系统仿真方法。
通过对仿真模型的建立、仿真参数的选择以及仿真结果的分析，我们提出了一种高效的仿真策略。
我们将所设计的控制系统应用于实际场景中，通过实验数据验证了所提出方案的有效性和可行性。
本论文通过理论与实践相结合的方法，深入探讨了基于MATLAB 控制系统的仿真与应用。
第四章MATLAB在控制系统仿真中的应用
调用格式： z=roots(a)
其中：z — 各个根所构成的向量 a — 多项式系数向量 系统增益k即为原传递函数分子的最高项系数与分母最高项系数 的比值。分别求出分子分母多项式的根，即可得到系统的零， 极点模型。
4.1.3 控制系统状态方程模型
只要将A，B，C，D几个矩阵输入进去即可。
对于离散系统来说，也与上面类似。
1
若系统由状态空间模型来描述，则系统的频率特性为： G(j )=C[j I+A] B+D 计算方法： polyval(num,sqrt(-1)*w)./polyval(den,sqrt(-1)*w) 或 H=freqresp(sys,)
系统频率响应曲线的绘制(一)
Bode图绘制：bode()函数
五、线性系统时间响应分析
工具箱已提供直接求各种输入下系统响应的函数。 一般控制系统的输入有：阶跃，斜坡，加速度及脉冲 输入等。在工具箱中主要提供了如下三种函数： 1．step( )函数---求系统阶跃响应 2．impulse( )函数：求取系统的脉冲响应 3．lsim( )函数：求系统的任意输入下的仿真
调用格式： ①bode(sys): bode(num,den) bode(A,B,C,D,iu) ---可自动地选择一个合适的频率范围。 ②bode(sys，w)---给出频率范围，这里频率范围一般由 logspace(a,b,n)给出。 ③[mag,phase,]=bode(sys)或[m,p]=bode(sys) 这种格式只计算Bode图的幅值向量和相位向量，不画出图 形。要在此基础上画图，可用： subplot(211);semilogx(,20*log10(m) %对数幅频曲线 subplot(212);semilogx(,p) %对数相频曲线 ④bode(,,…,) ⑤bode(,,…,,) 这两种格式可在一个图形窗口同时绘多个系统的bode图
基于MATLAB控制系统的仿真与应用毕业设计论文
基于MATLAB控制系统的仿真与应用毕业设计论文目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 研究内容与目标 (5)1.4 论文结构安排 (6)2. 控制系统基本原理 (7)2.1 控制系统概述 (8)2.2 线性控制理论 (10)2.3 线性离散控制系统 (11)2.4 系统仿真方法 (12)3. MATLAB控制系统仿真模块设计 (13)3.1 MATLAB环境介绍 (15)3.2 控制系统基本模块设计 (17)3.3 控制策略实现 (18)3.4 仿真界面设计 (20)4. 控制系统仿真案例分析 (21)4.1 单输入单输出系统仿真 (22)4.2 多输入多输出系统仿真 (23)4.3 非线性控制系统仿真 (25)4.4 实际工程应用案例 (27)5. 控制系统性能分析与优化 (28)5.1 控制系统性能指标 (30)5.2 系统性能仿真分析 (32)5.3 性能优化方法研究 (33)5.4 优化效果验证 (34)6. 系统实现及验证 (36)6.1 系统设计实现 (37)6.2 仿真实验与结果分析 (39)6.3 系统测试与验证 (41)6.4 误差分析及解决方案 (42)1. 内容概述本文介绍了控制系统建模的基本理论和MATLAB建模方法，通过实例演示了如何利用MATLAB进行系统建模与仿真，包括线性系统、非线性系统以及多变量系统的建模与仿真。
论文详细阐述了基于MATLAB的控制器设计方法，包括PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等，通过实例分析了不同控制器的设计过程与应用效果。
本文对控制系统稳定性分析进行了深入研究，包括奈奎斯特准则、Bode图、Nyquist图等分析方法，并通过MATLAB工具箱实现了稳定性分析的自动化。
论文探讨了MATLAB在实时仿真与测试方面的应用，介绍了Simulink仿真平台，并通过实际案例演示了MATLAB在嵌入式系统仿真、硬件在环仿真等场景中的应用。
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00000
1000
10000
0300
03000
0050
00500
0007
00070
若输入>> diag(V,2)，则结果为： ans =
001000
000300
000050
000007
000000
000000
5）全部元素为1的矩阵：使用函数ones（）实现，格式与eye()相同。
13
向量运算
向量的基本运算包括向量与常数间、向量与向量间的运算。
9
【例1.2.3】：用冒号产生增量为1和2的行向量。
解：在命令窗口中输入：
>> a=2:8
%默认增量为1
运行结果为：
a=
2345678
在命令窗口中输入： >> a=2:2:8 %产生增量为2的行向量
运行结果为： a= 2468
10
矩阵
1 0 0 【例1.2.5】输入矩阵 A 0 1 0
0 0 1
【例1.2.11】计算向量和的点积和叉积。 【解】在MATLAB命令窗口中输入：
>> A=[1 2 3];B=[7 12 30];
>> dot(A,B)
运算结果为：
ans = 121
在MATLAB命令窗口中输入： >> cross(A,B)
运行结果为：
向量的点积用函数 dot( )实现，向量的 叉积用函数cross( ) 实现
扩充matlab的符号计算功能
图像建模仿真功能 功能型 文字处理功能
matlab
与硬件的实时交互功能
工具箱
领域型：专业性很强
5
1.2 matlab的基本使用方法
matlab基本要素
Matlab基本要素包括变量、数值、复数、字符 串、运算符、标点符等。
变量
Matlab变量的命名规则如下： 1.变量名区分字母大小写，“feedback”和 “Feedback”表示两个不同变量。 2.Matlab 6.5版本以上，变量名不得超过63个字符。 3.变量名必须以英文字母开头。 4.变量名由字母、数字和下划线组成，但不能包含空格 和标点。
运行结果为：
ans = 100 010
11
特殊矩阵的生成
1）空矩阵：用方括号“[ ]”表示，矩阵大小为零，但 变量名却保存在工作空间中。
2）单位阵：用函数eye()实现，eye（n）（生成n维的 方阵）或eye(n,m)（生成n×m维矩阵）。
【例1.2.7】生成4×4维的单位阵。
【解】在MATLAB命令窗口中输入： >> a=eye(4)
小于等于
非
表1.2.1 MATLAB运算符
8
标点符
标点符
功能
标点符
功能
：
冒号
.
小数点
；
分号，区分行及取
消运算显示
,
逗号，区分列及函
数参数分隔符
()
括号，指定运算优
先级
[]
方括号，矩阵定义
…
续行符
%
百分号，注释
!
感叹号，调用操作
系统
‘’
单引号，字符串标
数组
识
表1.2.2 MATLAB标点符
运行结果为：
a= 1000 0100 0010 0001
若输入a=eye（3，4） 则运行结果为： a=
1000 0100 0010
3）零矩阵：使用函数zeros( )，实现格式与eye（）函数 相同。
12
4）对角矩阵：a）diag(V)，V为向量，即对角阵元素值。 b）diag(V,K)，K为数值，表示向量V偏离主对角线
ans =
24 -9 -2
14
数组运算
从数据结构看，二维数组和矩阵没什么区别，但是在MATLAB中，数 组和矩阵的运算有较大的区别。
【例1.2.12】数组相除运算。
【解】在MATLAB窗口中输入：
>> A=[1 2;3 4;5 6];
>> B=[1 3;2 4;5 7];
>> C=A./B
>> '欢迎使用MATLAB' 运行结果为：
ans = 欢迎使用MATLAB
7
运算符
操作符
+ * ^ \
== ~= >
& |
功能
操作符
算数运算符
算数加
/
算数减
.*
算术乘
.^
算术乘方
.\
算术左除
./
关系元算符
等于
>=
不等于
<
大于
<=
逻辑元算符
与
~
或
功能
算术右除 点乘 点乘方 点左除 点右除
大于等于 小于
的列数。K<0时，V在主对角线下方；K>0，V在主对角线上方；
K=0，V在主对角线上。
【例1.2.9】生成对角矩阵。 【解】在MATLAB命令窗口中输入
在MATLAB命令窗口中输入
>> V=[1 3 5 7];
>> diag(V) 运行结果为：
>> diag(V,-1) 运行结果为：
ans =
ans =
缺省的matlab桌面 当前目录浏览器（Current Directory）
历史命令窗口（Command History）
图1.1 缺省情况下MATLAB 7.1桌面
4
matlab帮助系统
命
联
演
令
机
示
行
帮
帮
帮
助
助
助
matlab工具箱：
工具箱实际上是用Matlab的基本语句编成的各种子程序集，用于解 决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。
国家精品课程配套教材
基于MATLAB的控制系统仿真及应用
Matlab Based Control System Simulation and its Applications
张聚 王万良
编著 主审
1
第一章 MATLAB应用基础
1.1 matlab简介 1.2 matlab基本使用方法
2
1.1 Matlab基本简介
6
数值
可以使用十进制计数法，也可以使用科学计 数法表示，数值有效范围 10 308 ~ 10308
复数 字符串
生成复数的语句为：
1） z a bi
2） z r *exp( *i)
创建方法：将待建的字符串放入以单引号中（单 引号必须在英文状态下输入） 例：显示字符串“欢迎使用MATLAB”。 解：在命令窗口中输入：
【解】在MATLAB命令窗口中输入： >> A=[1,0,0;0,1,0;0,0,1] %也可以输入A=[1 0 0;0 1 0;0 0 1]
得到相同结果 运行结果为：
A= 100 010 001
【例1.2.6】提取【例1.2.5】中矩阵A第1、2行元素。
【解】在MATLAB命令行中输入： >> A(1:2,:)
Matlab，全称Matrix Laboratory(矩阵实验室)， 是由美国The MathWorks公司于1984年推出的一种科 学与工程计算语言：
简单易用的程序语言
代码短小高效
特点和优势
功能丰富，可扩展性强
出色的图形处理能力
强大的系统仿真功能
3
matlab操作界面： 命令窗口（Command Window）