基于matlab在自动控制原理中的应用(精)
MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用
MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用作者：宗小青来源：《中小企业管理与科技·上旬》2010年第11期摘要:本文分析了当前成教《自动控制原理》课程教学方法的不足,提出在《自动控制原理》课程中引入MATLAB仿真教学方法,并通过具体的教学实例说明该方法在教学效果和教学效率上的优势。
关键词:MATLAB 自动控制原理教学方法《自动控制原理》是电气工程、自动化、仪器与仪表、电子信息、机电一体化等专业的重点课程。
该课程理论知识的逻辑性很强,带有方法论的特点,同时又和工程实践密切相关,在《自动控制原理》教学中应该采取能够及时反映自动控制领域新技术、新成果和新内容的教学方法。
而在目前成人教育专业课学时不断压缩的背景下,如何提高课堂教学效率也成为我们研究和探索新型教学方法时应该着重考虑的问题之一。
1 教学现状及改进方法《自动控制原理》课程内容理论性强、公式应用灵活、前后联系紧密,且要应用大量的物理及高等数学相关知识。
这与成人教育中学员学习基础参差不齐形成鲜明的矛盾。
仅通过一张黑板一支粉笔,按部就班传统教学方式,使绝大多数学员感到课程内容抽象,难以理解。
随着计算机多媒体技术在教学中的应用,教学软件在一定程度上丰富了教学手段,但由于自动控制原理实例的复杂性,现有的《自动控制原理》计算机多媒体软件,并不能从根本上解决本课程的理论教学与工程实践脱节的问题。
MATLAB是由MathWorks公司开发并推出的程序计算语言,它不仅集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,并且一直面向控制理论和控制工程为其核心应用领域。
目前MATLAB的应用已从经典控制理论的应用发展到最优控制、系统辨识、模型预测控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制等领域[1]。
2 MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用MATLAB包含了进行控制系统分析与设计所必须的工具箱函数,可以分析连续系统,也可以分析离散系统,并可以进行极点配置控制器设计和最优控制系统设计等多项操作。
MATLAB在自动控制原理教学中的应用-6页word资料
MATLAB在自动控制原理教学中的应用自动控制原理是高校电类和机械类及相关专业的一门专业基础课,同时也是自动化专业最重要的专业基础课之一。
它是线性系统理论、最优控制、系统辨识、自适应控制等专业课的基础。
该课程主要讲述反馈控制系统的基本概念、基本原理、基本分析方法和综合设计方法。
MATLAB除了传统的交互式编程之外,还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理等功能。
此外,提供了大量的工具箱,如系统辨识工具箱、神经网络工具箱等,以及仿真环境。
自动化专业学生如果能够在学习自动控制原理的同时,学会使用MATLAB语言,不仅对掌握和应用自动控制原理有帮助,还可以学会如何使用计算机辅助分析、设计控制系统,为今后的工作和学习打下良好的基础。
在教学改革中,把MATLAB语言作为一种基本工具与教学内容有机结合,用于控制系统的建模、计算、分析、设计和仿真,使理论教学和实践教学的效果、效率显著提高。
一、MATLAB用于教学改革本课程以传递函数为基础,采用时间域分析法、根轨迹分析法和频率特性分析法分析控制系统的性能,主要用来解决单输入单输出系统的控制问题,系统可以是线性或非线性的,定常或时变的。
通过本课程的学习了解自动控制原理的基本原理和方法,以便进行系统分析与设计,同时为进一步学习自动控制原理打下较扎实的基础。
系统分析是指在规定的条件下,对数学模型已知的性能进行分析,包括定量分析和定性分析。
定量分析是通过系统对某一个输入信号的实际响应来进行的;定性分析则研究系统稳定性、动态性、稳态性和关联性等一般特性。
各种设计方法往往来源于系统分析,因此,系统分析是十分重要的。
系统设计是构造一个能完成给定任务的系统,这个系统具有所希望的瞬态、稳态性能以及抗干扰性能。
一般情况下,设计过程不是一个简单的一次能完成的过程,而是一个逐步完善的过程。
在这个过程中,有可能引入补偿器或调整某些参数。
1.教学内容将MATLAB语言和自动控制原理有机结合进行教学,既降低了自动控制原理的抽象性,增强了直观性,又使学生在学习本课程的同时掌握MATLAB编程语言。
MATLAB在高职《自动控制原理》课程教学中的应用
（ 水 职 业技 术 学 院 机 电工程 系 ，河北 衡 水 ０ ３ ０ 衡 ５ｏ０）
摘 要 ：以计算机辅助教学为手段 ，把ＭＡ Ｉ Ｂ Ｔ 应用到 《 动控制原理》课程 的教学中。通过 Ａ 自 实例说明，由于引入 了ＭＡ Ｌ Ｂ，学生能直观地领会和理解抽 象的理论 ，课 堂内容量增加 ，复 ＴＡ 杂的 实验过程变得 简单方便 。 这样 ， 既激发 了学生的学习兴趣 ，又培养了他们 的工程 实践能力和 创新能力，取得 了良好 的教 学效果。 关键 词 ： 高职 ； 自动控 制 原理 ；ＭＡ Ｌ Ｔ ＡＢ 中 图分 类号 ：Ｇ １ 文献 标识 码 ：Ａ ７２ 文 章编 号 ： １０ —６ ２ ２ ０ ）０—０ ０－ ｏ ０ ８ １９（ ０９ ３ ｏ９ ＿２
收稿 日期 ：２ Ｏ ０
２ — ５
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作者 简介 ：刘秋 菊 （ ９ ３ ） １７一 ，女，河北衡水市人。衡水职业技术学院机电工程 系，讲 师，工学硕士。
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其 中 ， 是 阻尼 系 数 ，
是 固有频 率 。二 阶
系统 的性 能主 要 取 决于 这两 个参 数 。
设 ＝ ，分别 取 ＝ ．，Ｏ２ ．，编 写程 序 ｌ Ｏ１ ．，０４
如下 ： ｎ ｍ＝ １ ｕ 【】 ｄ ｎ ＝ １ ． １；ｅ ２ ［ ０ 】 ｅ ３ ［ Ｏ８１ ｅ １ 【 ０２ 】 ｎ ＝ １ ． ｌ； ｎ ＝ 】 ． ］ ｄ ４ ｄ ｓ ｐｎ Ｉ，ｅ １；ｏｄ ｔ （ｕ ｄｎ ） ｌ ｅ ｎ ｈ ｏ ；印（ｌ １ ｅ ２；ｏｄ ｎｓ ｎｌ ， ｎ ） ｌ ｔ Ｉｄ ｌ ｈ ｏ ；ｅ （ｕ ｄ ｎ ） ｎｓ ｐｎ ｍ， ３ ｔ ｅ 运行 结 果 如 图 ｌ 示 。 所
MATLAB在“自动控制原理”课程中的应用研究
HEBEINONGJI摘要:“自动控制原理”是电气与自动化专业重要的专业基础课，内容抽象、复杂，学生理解困难。
近年来，随着MATLAB引入自动控制原理教学实践中，利用其强大的数值计算及绘图功能，对教学形式和内容进行了有力改革,从而有效地提高了课堂教学效率及教学效果。
关键词：自动控制原理;MATLAB;教学改革MATLAB在“自动控制原理力课程中的应用研究河北农业大学李珊珊孔德刚弋景刚袁永伟刘江涛引言自动控制原理是电气与自动化专业一门重要的专业技术基础课，该课程在内容体系中起着承上启下的作用。
主要介绍讨论了单输入一单输出定常系统的控制问题，讲授经典控制理论的三大分析方法一时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法，自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容，课程具有一定的抽象性，包含大量的数学内容和复杂计算。
通过学习,要求学生系统掌握自动控制的基本原理和基本方法，并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计。
学生普遍反映难以理解，内容枯燥。
基于此，需要对教学内容及教学方法进行更新，在教学中引入了MATLAB编程语言。
1现代教育理念1.1以学生为中心美国人本主义心理学家卡尔•罗杰斯于1952年提出“以学生为本”的教育理念，主张促进学生个性发展、人格完善和潜能发挥,使他们能够愉快地、创造性地学习和工作。
目前,这种教育理念仍然作为一种基本的现代教育理念。
1.2创新发展的理念党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，其中创新被置于首位。
随着互联网技术的迅速发展，知识更新换代速度加快，对复合创新型人才的需求愈发强烈，人才培养要摒弃传统的知识灌溉模式,应将教学重点转移到重视研究方法学习、培养创新精神上。
1.3OBE教育理念OBE为"Outcomes-based Education"的缩写，OBE教育理念即基于成果导向的教育理念。
美国的Spady在《基于产出的教育模式:争议与答案》一书中把OBE定义为“关注和组织教育体系,以确保学生在未来的生活中获得实质性的成功经验”。
MATLAB在自动控制原理中的应用
本论文主要研究如何根据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正设计，而此设计又具有很重要的现实意义。
对于给定的线性定常系统，我们通常通过加入串联超前、滞后或超前滞后综合校正装置，以达到提高系统的精度和稳定性的目的。
本文将给出基于频率特性法串联校正的具体设计方法，同时对该课题中的控制系统模型进行仿真。
本设计可实现如下功能：对一个线性定常系统，根据需求的性能指标，通过本设计可给出系统的串联校正网络，从绘制出的各种响应曲线可以直观地将校正前后的系统进行比较，而仿真实例结果也进一步表明了此设计方法有效性和实用性。
关键词：串联校正；根轨迹；频率特性法；MATLAB1．1研究目的在实际工程控制中，往往需要设计一个系统并选择适当的参数以满足性能指标的要求，或对原有系统增加某些必要的元件或环节，使系统能够全面满足性能指标要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。
当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定执行元件的形式、特性和参数。
然后，根据测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量变送元件。
在此基础上，设计增益可调的前置放大器与功率放大器。
这些初步选定的元件以及被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。
如果通过调整放大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统能够全面满足设计要求，这就是控制系统设计中的校正问题。
系统设计过程是一个反复试探的过程，需要很多经验的积累。
MATLAB为系统设计提供了有效手段。
1．2相关研究现状系统仿真作为一种特殊的实验技术，在20世纪30-90年代的半个多世纪中经历了飞速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的实验科学。
自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门设计自动控制理论、计算机数学、计算机技术、系统辩识以及系统科学的综合性新型学科。
MATLAB在自动控制原理中的应用
T 其中 Ad e At 、 Bd 0 e A(t ) Bd 、 C d C 、Dd D ，Ts为采样周期。
s
反之，采样系统到连续系统的转换关系为上式的逆过程：
A 1 ln(Ad ) 、 B ( Ad I ) 1 ABd 、 C C 、 d Ts
D Dd
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
5.1.6 连续系统与采样系统之间的转换
1. 转换原理 若连续系统的状态方程为： x Ax Bu
y Cx Du
则对应的采样系统状态方程为： x(k 1) Ad x(k ) Bd u (k )
y (k ) C d x(k ) Dd xu (k )
zpk对象 (零极点增 益)
p
variable
z a b c d e
零极点增益模型变量
零点 系数矩阵 系数矩阵 系数矩阵 系数矩阵 系数矩阵
s、z、p、k、z-1中之一
由行数组组成的单元阵列 二维矩阵 二维矩阵 二维矩阵 二维矩阵 二维矩阵 字符串单元向量
MATLAB在自动控制原理中的应用
自动控制原理是研究自动控制系统的基本原理和设计方法的学科。本演示将 介绍MATLAB在控制系统分析、设计和应用中的强大功能。
自动控制原理简介
自动控制原理研究控制系统的基本概念、原理和工程实现方法，以及控制系统的稳态和动态性能分析。
MATLAB的概述
MATLAB是一种高级数值计算和可视化软件，被广泛应用于工程、科学和数学领域，包括自动控制原理。
MATLAB在自动控制原理中的作用
MATLAB提供了丰富的工具和函数，用于控制系统建模、仿真、稳态分析、动态性能分析、控制系统设计等方 面。
控制系统建模与仿真
MATLAB可以帮助工程师将现实世界的控制系统抽象为数学模型，并进行仿真以评估其性能和稳定性。
控制系统稳态分析
MATLAB可以分析控制系统在稳态运行时的性能特征，包括稳态误差、稳定性 和系统响应。
控制系统动态性能分析
MATLAB可以分析控制系统在动态过程中的性能特征，如时间响应、频率响应 和阶跃响应。
控制系统设计
MATLAB提供了多种控制器设计方法和工具，用于设计满足特定要求的控制系统。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
线性控制系统分析工具
MATLAB提供了丰富的线性控制系统分析工具，包括传递函数、频域分析和根轨迹等。
非线性控制系统分析工具
MATLAB提供了强大的非线性控制系统分析工具，包括状态空间模型、Lyapunov稳定性分析和反馈线性化。
MATLAB在自动控制原理中的应用
程序运行结果为：
Transfer function: ←系统s1的传递函数模型
2 s^2 + 5 s + 1
------------------
s^2 + 2 s + 3
Zero/pole/gain: ←系统s2的零极点增益模型
5 (s+2)
-----------
(s+10)
Zero/pole/gain: ←系统s1、s2的反馈零极点增益模型
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
表 系统根轨迹绘制及零极点分析函数
函数名
功能
pzmap 绘制系统的零极点图
tzero 求系统的传输零点
rlocfind 计算给定根轨迹增益
rloccus 求系统根轨迹 damp 求系统极点的固有频率和阻尼系统
ploe
求系统的极点
dcgain 求系统的直流（稳态）增益
时域分析是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，具有直观和准确的 优点。它是根据控制系统输入与输出之间的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬 态过程和稳态误差。控制系统最常用的分析方法有两种：一是当输入信号为单位 阶跃时，求出系统的响应；二是当输入信号为单位冲激函数时，求出系统的响应。
1. 生成特定的激励信号的函数gensig( ) 格式：[u,t] = gensig(type,tau) 功能：按指定的类型type和周期tau生成特定类型的激励信号u。其中变元type可 取字符为：‘sin’(正弦)、‘square’(方波)、‘pulse’(脉冲)。
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
[例] 由连续系统：
H (s) 2s2 5s 1 s2 2s 3
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[gm,pm,wcp,wcg]=margin(num,den) gm：增益 pm：相位裕度 wcp：相位裕度对应的频率 wcg：增益对应的频率
11.求连续系统的Nyquist(奈奎斯特)频率曲线
nyquist(num,den)
例：
12. 求系统根轨迹
rlocus(num,den)
例: num=[2,5,1] den=[1,2,3] rlocus(num,den)
step(num,den) 单位阶跃响应 nyquist(num,den) 奈奎斯特频率曲线
Nichols(num,den) 尼柯尔斯频率响应曲线
谢谢指导！
退出
6.连接系统的单位阶跃响应
step(num,den)
7.连接系统的单位冲激响应
impulse(num,den)
8.连续系统的BODE(波特)频率响应
bode(num,den)
例：
9. 变系统零极点增益形式为传递函数形式
[num,den]=zp2tf(z,p,k)
z、p为列向量
10. 求增益和相位裕m] den = [a1，a2，…an ]
输入：num1=[3] den1=[1,4] num2=[2,4] den2=[1,2,3]
2. a=tf([1,2,3],[3,4,5,7]) Transfer function: s^2 + 2 s + 3 ----------------------3 s^3 + 4 s^2 + 5 s + 7
例：
负反馈连接
numg=[2,5,1] deng=[1,2,3] numh=[5,10] denh=[1,10] [num,den]=feedback(numg,deng,numh,denh) 显示： num=
2 25 51 10
den= 11 57 78 40 表示：
5.闭环系统
[num,den]=cloop(num,den,sign) sign=+1 正反馈 sign=-1 负反馈，缺省时，默认为-1
13. 绘制系统的零极点图
[p,z]=pzmap(num,den) 求传递函数的零极点 [p,z]=pzmap(p,z) 直接绘制给定的零极点
14. 变系统传递函数形式为零极点增益形式
例：找系统
输入：num=[1,-0.5,2] den=[1,0.4,1] [z,p,k]=tf2zp(num,den) 显示：z=0.2500+1.3919i 0.2500-1.3919i p=-0.2000+0.9798i -0.2000-0.9798i k=1 表示：
的零点、极点和增益
例求：
的零极点、根轨迹、单位阶跃响应。 H(s)
建立传递函数H1（s）
建立传递函数H2（s）
[p,z]=pzmap(num,den) 求零极点
pzmap(p,z) 画零极点图 [z,p,k]=tf2zp(num,den) 求零极点增益 bode(num,den) 波特图 [gm,pm,wcp,wcg]=margin(num,den) gm:增益 pm:相位增益 wcg:增益对应的频率 wcp:相位裕度对应的频率 rlocus(num,den) 根轨迹
3.产生二阶系统
[num,den]=ord2(,z) 例：产生 的二阶系统的传递函数
[num,den]=ord2 (2.4,0.4) 显示：num= 1 den= 1 1.92 5.7600 表示：
2.两个子系统的并联连接 [num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2) 显示 num= 0 5 18 25 den= 1 6 11 12 表示：
MATLAB在自动控制中的应用
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MATLAB在自动控制中的应用
1.传递函数的建立 2.两个子系统的并联连接 3.两个子系统的串联连接 4.两个子系统的反馈连接 5.闭环系统 6.连续系统的单位阶跃响应 7.连续系统的单位冲激响应 8.连续系统的BODE(波特)频率响应 9.变系统零极点增益形式为传递 函数形式 10.求增益和相位裕度 11.求连续系统的Nyquist(奈奎斯特) 频率曲线 12.求系统根轨迹 13.绘制系统的零极点图 14.变系统传递函数形式为零极点 增益形式 Exit
3.两个子系统的串联连接 [num,den]=series(num1,den1,num2,den2) 显示 num= 0 den = 1 表示： 6 11 12 0 6 12
4.两个子系统的反馈连接 [num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2,sign) sign=+1 正反馈连接 sign=-1 负反馈连接，缺省时，默认为-1 表示：