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1、2020/7/30,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用 東北大學信息學院,1,第 1 章控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述,薛定宇 著控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB 語言與應用第二版，清華大學出版社 2006 CAI課件開發(fā)：鄂大志 、薛定宇,2020/7/30,2,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,本章主要內容,控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術的發(fā)展綜述 控制系統(tǒng)計算機輔助設計語言環(huán)境綜述 仿真軟件的發(fā)展概況 MATLAB/Simulink與 CACSD工具箱 控制系統(tǒng)計算機輔助設計領域的新方法 本書的基本結構和內容,2020/7/30,3,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB

2、語言與應用,1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術的發(fā)展綜述,早期的控制系統(tǒng)設計可以由紙筆等工具容易地計算出來，如 Ziegler 與 Nichols 于1942年提出的 PID 經驗公式就可以十分容易地設計出來。 隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達到預期的效果，加之在計算機領域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現了控制系統(tǒng)的計算機輔助設計 (computer-aided control system design , CACSD)方法。,2020/7/30,4,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,控制系統(tǒng)的計算機輔助設計技術的發(fā)展目前已達到了相當高的水平，

3、并一直受到控制界的普遍重視。 早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系統(tǒng)領域在國際上最權威的IEEE控制系統(tǒng)學會的控制系統(tǒng)雜志(Control Systems Magazine)和IEEE學會的科研報告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關于CACSD的?？?近三十年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，各類CACSD 軟件頻繁出現且種類繁多，MATLAB 語言出現以來，就深受控制領域學生和研究者的歡迎，已經成為控制界最流行、最有影響的通用計算機語言，成為控制界學者的首選。,2020/7/30,5,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,MATLAB 作為主要

4、程序設計語言來介紹控制系統(tǒng)計算機輔助設計的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費在沒有太大價值的底層重復性機械性勞動上，這樣可以對控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認識偏差，提高控制器設計的效率和可靠性。,2020/7/30,6,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,子曰:“工欲善其事，必先利其器”。跟蹤國際最先 進的 CACSD軟件環(huán)境及發(fā)展，以當前國際上最流 行的 CACSD軟件環(huán)境MATLAB為基本出發(fā)點來系 統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術及軟件實 現，從而大大提高 CACSD算法研究與實際應用的 效

5、率和可靠性，這是本書的一個主要目的。,2020/7/30,7,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,1.2 控制系統(tǒng)計算機輔助 設計語言環(huán)境綜述,20世紀70年代： 1973年美國學者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一本專著，書中給出了許多當時流行的控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設計的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應、時間響應、以及各種控制系統(tǒng)設計的子程序如：Luenberger 觀測器、Kalman 濾波等。,2020/7/30,8,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,瑞典 Lund 工學院教授 主持開發(fā)的一套交互式 CACSD 軟件 INTRAC 日

6、本的古田勝久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持開發(fā)的DPACS-F 軟件等。 1980年美國學者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視 圖形交互式的模型輸入計算機仿真環(huán)境 Simulink 的出現為MATLAB應用的進一步推廣起到了積極性的推動作用。,2020/7/30,9,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,國際上控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件的發(fā)展大致分為幾個階段：軟件包階段、交互式語言階段及當前的面向對象的程序環(huán)境階段 這些軟件包大都是由 FORTRAN 語言編寫的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和 MA

7、TLAB 相比，調用方法和使用明顯顯得麻煩、不便。,現在，MATLAB 已經風靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計領域最普及也是最受歡迎的首選計算機語言。,2020/7/30,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用 東北大學信息學院,10,,20世紀70年代末期和80年代初期出現了很多實 用的具有良好人機交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。 正因為存在多種多樣的 CACSD 軟件，而它們之間又各有所長，所以在 CACSD 技術的發(fā)展過程中曾有過幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。,此外，以前 FORTRAN 語言繪圖并不是輕而

8、易舉的事情，這就需要再調用相應的軟件包來做進一步處理。,2020/7/30,11,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,依作者之見，這些集成出來的軟件并不是很成功的，因為它們并沒有達到預期的效果。 事實上，從那以后每個軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB 語言有了自己的仿真功能，Simulink 從某種意義上來講其功能和接口更優(yōu)于ACSL , MATLAB 和 Mathematica 之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢可以得到充分地互補。,2020/7/30,12,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,我國較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計成果是中科院系統(tǒng)科學研

9、究所韓京清研究員等主持的國家自然科學基金重大項目開發(fā)的CADCSC軟件。 清華大學孫增圻、袁曾任教授的著作和程序。 以及北京化工學院吳重光、沈成林教授的著作和程序等。,2020/7/30,13,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,1.3 仿真軟件的發(fā)展概況,仿真技術引起該領域各國學者、專家們的重視，建立起國際的仿真委員會 (Simulation Councils Inc.， Sci )，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。 仿真語言CSMP (computersimulation modelling program) 應該屬于建立在該標準上的最早的專用仿真語言。 中科院沈陽自動化研

10、究所在1988年推出了該語言的推廣版本 CSMP-C。,2020/7/30,14,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,系統(tǒng)仿真領域有很多自己的特性，如果能選擇一種能反映當今系統(tǒng)仿真領域最高水平，也是最實用的軟件或語言介紹仿真技術，使得讀者能直接采用該語言解決自己的問題，將是很有意義的。 實踐證明，MATLAB 就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經使得它成為自動控制、航空航天、汽車設計等諸多領域仿真的首選語言。 所以在本書中將介紹基于 MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真與設計方法及其應用。,2020/7/30,15,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,1.

11、4 MATLAB/Simulink與 CACSD 工具箱,早期的 MATLAB 的功能十分簡單，當它作為免費軟件出現以來，還是吸引了大批的使用者。 Cleve Moler 和 John Little 等人于1984年成立了一個名為 The MathWorks 的 公司 The MathWorks 公司于1992 年推出了具有劃時代意義的 MATLAB 4.0版本。,2020/7/30,16,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,MATLAB 目前已經成為控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數據處理、圖像處理、方便的 Windows

12、 編程等便利工具。 此外，控制界很多學者將自己擅長的 CAD 方法用MATLAB 加以實現，出現了大量的 MATLAB 配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設計工具箱、分析與綜合工具箱、神經網絡工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、以及仿真環(huán)境 Simulink。,2020/7/30,17,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,早期的 CACSD 研究側重于對控制系統(tǒng)的計算機輔助分析上，開始時人們利用計算機的強大功能把系統(tǒng)的頻率響應曲線繪制出來，并根據頻率響應的曲線及自己的控制系統(tǒng)設計經驗用試湊的方法設計一個控制器，然后利用仿真的方法去

13、觀察設計的效果。,1.5 控制系統(tǒng)計算機輔助設計領域的新方法,2020/7/30,18,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,除了經典的多變量頻域方法之外，還出現了一些基于最優(yōu)化技術的控制方法，其中比較著名的是英國學者 John Edmunds 提出的多變量參數最優(yōu)化控制方法和英國學者 Zakian 提出的不等式控制方法等。 與此同時，美國學者似乎更習慣于狀態(tài)空間的表示與設計方法。此方法往往又稱為時域方法 (time-domain)，首先在線性二次型指標下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預下(如人工選擇加權矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)觀測器新的

14、控制概念。,2020/7/30,19,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現了各種各樣的控制方法，如各種 最優(yōu)控制的方案. 隨著控制器的階次越來越高，還出現了很多的控制器降階方法來實現設計出的控制器。 線性矩陣不等式 (linear matrix inequalities) 及分析與綜合等控制系統(tǒng)設計方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過計算機這樣的現代化工具是不能完成的。,2020/7/30,20,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,分數階控制領域也出現了很多新的研究成果，是控制理論的一個較新的研究領域。 教授和合作者對傳統(tǒng)的，

15、也是工業(yè)中應用最廣泛的 PID 控制器進行了改進，提出了自整定 PID 控制器更加切合于過程控制的實際應用。,2020/7/30,21,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,國際上出版了關于 MATLAB及 CACSD的專著和教材，但它們大都是MATLAB的入門教材，并沒有真正深入、系統(tǒng)地探討CACSD 技術及 MATLAB實現，將MATLAB的強大功能與控制領域成果有機結合是本書力圖解決的主要問題。,2020/7/30,22,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,第1章 對國際上最流行的一些 CACSD 專用軟件作簡要的介紹，闡釋了為什么應該采用 MATLAB 作為主要計算機

16、語言的原因。 第2章 系統(tǒng)地介紹 MATLAB 編程的基礎。,1.6 本書的基本結構和內容,2020/7/30,23,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,第3章 介紹在 MATLAB 環(huán)境中如何表示各種各樣的線性系統(tǒng)數學模型。 第4章 介紹線性控制系統(tǒng)的基本分析方法。 第5章 介紹基于 Simulink 的非線性系統(tǒng)建模方法與技巧。 第6章 介紹各種經典的控制系統(tǒng)設計方法。,2020/7/30,24,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,第7章 介紹各類系統(tǒng)的魯棒控制器設計方法。 第8章 介紹自適應控制與智能控制系統(tǒng)的建模、仿真與設計問題。 第9章 基于 dSPACE 和 Q

17、uanser 軟硬件系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的辦實物仿真及實時控制方法，為控制理論及方法的工程應用打好基礎。,2020/7/30,25,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,本課程的互聯網資源,The MathWorks公司官方網站 產品與全套工具箱手冊下載 第三方工具箱下載 產品在中國獨家代理 (北京九州恒潤公司) ,2020/7/30,26,控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用,MATLAB 大觀園 (薛定宇維護) 本書及相關內容資源 http://www.matlab- MATLAB 與應用論壇 (薛定宇維護) 博士家園論壇網站 (各類數學問題) 一些高校的 bbs 清華大學、哈工大、上海交大、西安交大等,