《控制系统工具箱》PPT课件.ppt

第10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LTI Viewer可方便地获得系统的各种时域响应和频率特性等曲线，并得到系统的性能指标，SISO Design Tool 设计具有极点配置、最优控制和最小二乘估计功能。控制系统工具箱还具有开放性和可扩展性，用户可创建常用的 M 文件来适应自己的特殊需要。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。,10.1 线性时不变系统浏览器 LTI Viewer 10.2 单输入单输出系统设计工具 SISO Design Tool,主要内容,LTI Viewer简介,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,LTI Viewer可以提供绘制浏览器模型的主要时域和频域响应曲线，可以利用浏览器提供的优良工具，对各种曲线进行观察分析。在 MATLAB命令窗口输入命令 ltiview,即可进入 LTI Viewer窗口。,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,LTI Viewer命令菜单及窗口设置,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。,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等。,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,【Refresh Systems】当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】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。,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,【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。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。,LTI Viewer对象模型,tf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。,【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,ss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。,zpk对象,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,曲线显示区的属性设置,单击右键弹出菜单，对选定的曲线显示区的属性进行设置。,【Plot Type】改变显示框内的显示内容。【Systems】隐藏/显示指定对象模型的曲线。【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、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。【Full View】使用系统提供的最大采样数显示曲线。【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。,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,LTI Viewer属性设置,数据显示框的属性设置,在曲线或活动标记点上单击右键，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）。【FontSize】设置数据显示框显示字符的大小。【Moveable】将指定的标记点设置成活动的。【Delete】删除指定的标记点及对应的数据显示框。【Interpolation】标记点被鼠标拖动时的插值方式选择。Nearst根据系统给出的采样点运动（运动不连续）；Linear在两采样点间采用线性插值，根据插值数据运动（连续）。【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。,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,典型二阶系统的传递函数为,应用LTI Viewer对系统进行分析。,1、在MATLAB命令窗口输入 sys=tf(0.64,1,0.8,0.64)ltiview,单击【File】【Import】，选择在Workspace中的系统模型,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,2LTI 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,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,10.1 线性时不变系统浏览器LTI Viewer,SISO Design Tool简介,在命令窗口输入命令sisotool，即可进入SISO Design Tool主窗口。,SISO Design Tool快捷工具栏,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,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。,Bode图编辑区,根轨迹编辑区,环节C传递函数,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,SISO Design Tool命令菜单简介,File菜单,【Import】导入系统设计对象模型。【Export】保存设计完成后的系统对象模型。【Save Session】保存设计工作环境（包括对系统的各种改动），供后续工作使用。【Load Session】调入设计工作环境，恢复保存时的状态。,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,Edit菜单,【OpenLoop 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、设置给定系统参数限制区域（根据所选择曲线的不同，系统参数限制区域也不同）并在对应的曲线图中给出区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。【SISO Tool Preference】针对SISO Design Tool所涉及的图形属性进行设置，主要内容包括显示曲线的坐标单位、坐标字体、字号、网络、上升时间定义范围数学模型的表示方式等显示属性。,【Root Locus】对根轨迹曲线编辑区进行设置。【OpenLoop Bode】对开环伯德图编辑区进行设置。,当窗口中出现前置滤波环节F伯德图编辑区和尼柯尔斯图编辑区后，【Edit】菜单中会出现下面两个选项：,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,View菜单,【Root Locus】显示/取消根轨迹图编辑区。【OpenLoop Bode】显示/取消伯德图编辑区。【OpenLoop 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。,Compensators菜单,【Edit】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】将环节C和环节F的传递函数置为1。,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,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。,Tool菜单,【ContinuousDiscrete Conversions】对线性离散控制系统进行设计，主要对离散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。【Draw Simulink Diagram】构造系统的Simulink仿真结构图。,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,1、在MATLAB命令窗口输入 sys=tf(60,30,1,9,17,10)sisotool,单击【File】【Import】导入数据,2、SISO Design Tool系统分析,3、SISO Design Tool系统设计,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,1、在MATLAB命令窗口输入 sys=tf(15,0.15,1,0.01,0.0025,0)sisotool 单击【File】【Import】进行数据导入,2、SISO Design Tool系统分析,3、SISO Design Tool系统设计,4、Simulink仿真,10.2 单输入单输出系统设计工具SISO Design Tool,习题,