控制系统仿真与CAD：第1章 控制系统计算机辅助设计概述

1、2022/7/31控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 1国家级精品课程控制系统仿真与CAD2022/7/312控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用本课程教材薛定宇著控制系统计算机辅助设计- MATLAB语言与应用，北京：清华大学出版社， 2006国家级精品课程教材国家级精品教材国家级十一五规划教材教育部自动化专业教指委规划教材英文版：SIAM出版社，Linear Feedback Control, Analysis and Design with MATLAB，2007，TWM Research 2008控制学科推荐参考书2022/7/313控制系统计算机辅助

2、设计MATLAB语言与应用本课程的考核学生文献阅读（20%）：查阅课堂知识在具体工程实践中应用实例的科研文献，深入阅读，并进行初步的仿真验证，完成文献阅读报告 学生到课率和课堂讲述交流（20%） 课堂作业（10%） 期末考试（50%） 2022/7/31控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 4第 1 章 控制系统计算机辅助设计概述薛定宇 著. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 （第二版）. 清华大学出版社，2006 . CAI课件开发: 解志斌、薛定宇2022/7/315控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用本章主要内容控制系统理论概述控制系统计算机辅

3、助设计技术的发展综述控制系统计算机辅助设计语言环境综述仿真软件的发展概况MATLAB/Simulink与 CACSD工具箱控制系统计算机辅助设计领域的新方法2022/7/316控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用什么是控制系统？控制系统：由相互连接在一起提供期望的系统响应的各部分组成的整体。执行装置过程输出期望输出开环控制系统控制器过程测量比较输出期望输出闭环控制系统2022/7/317控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用控制学科的前景控制将是21 世纪的物理学(Control will be the physics of the 21st century)国际著名学者、哈佛大

4、学的何毓琦(Larry Yu-Chi Ho) 教授John Doyle 教授，在第40届IEEE 决策与控制年会(CDC) 全会开篇报告2022/7/318控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用控制学科的发展“控制”一词应用广泛，本课：工业控制、反馈控制自动控制系统的早期应用可以追溯到两千多年前古埃及水钟控制与中国汉代指南车控制1788年英国科学家James Watt为内燃机设计的飞锤调速器（flyball governor）可以认为是最早的反馈控制系统的工程应用 由于调速器出现振荡现象，所以出现了Maxwell对微分方程系统稳定性的理论研究(1868)2022/7/319控制系统计算机

5、辅助设计MATLAB语言与应用控制理论的发展简述基于微分方程及其稳定性的理论研究Harris于1942年提出的传递函数的概念首先将通信学科的频域技术移植到了控制领域，构成了控制系统频域法理论研究的基础系统的频域分析技术是在Nyquist (1932年)、Bode (1945年)等早期的关于通信学科的频域研究工作的基础上建立起来的Evens在1946年提出的线性反馈系统的根轨迹分析技术是那个时代的另一个里程碑2022/7/3110控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用“现代”控制理论的三个代表前苏联学者Pontryagin(1956)极大值原理美国学者Bellman的动态规划(1957年)

6、美国学者Kalman的状态空间分析技术(1960年)线性二次型最优调节器(Kalman 1959)、最优状态观测器(Kalman 1960)及LQG控制器2022/7/3111控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用现代控制理论的发展状态控制理论状态空间理论（1960s-1980s）自适应控制多变量系统频域分析鲁棒控制智能控制。众多其他分支状态空间理论现在不宜称为“现代控制理论”2022/7/3112控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用美国MIT模型参考自适应系统模型辨识瑞典学者Karl Astrom的自校正控制器英国学者Peter Gauthroup英国学者Wellstead英国

7、学者David Clarke的广义预测控制器自适应控制2022/7/3113控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用多变量控制英国学派HH Rosenbrock 的逆 Nyquist 阵列 UMISTALG MacFarlane 特征轨迹法 CambridgeDavid Mayne，序贯回路闭合方法，ImperialDavid Owens，并矢方法 Sheffield以色列学者 Horowitz 的 QFT （Quatitative Feedback Theory）2022/7/3114控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用鲁棒控制LQG/LTR基于范数的鲁棒控制 （Zames, 1

8、980, Doyle et al, 1992）H2鲁棒控制Hinf鲁棒控制、最优控制线性矩阵不等式 （LMI）最优化方法分数阶控制 (fractional order control)区间控制 (interval control)2022/7/3115控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用智能控制模糊逻辑与模糊逻辑控制专家系统神经网络控制预测控制自学习控制，迭代自学习算法无模型控制器自整定PID控制器2022/7/3116控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用控制系统设计过程1、建立控制目标2、确定控制变量3、对控制变量写出指标要求5、得到执行机构和传感器的模型6、描述控制器模型并

9、选取待调整的关键参数7、优化参数并分析性能4、建立系统的模型并确定执行机构2022/7/3117控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.1 控制系统计算机辅助设计技术的发展综述早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计 算出来，如 Ziegler 与 Nichols 于1942年提出的 PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计 (computer-aided control system design , CACSD)方法。202

10、2/7/3118控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(Control Systems Magazine)和IEEE学会的科研报告集(Proceedings of IEEE)分别第一次出版了关于CACSD的专刊近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD 软件频繁出现且种类繁多，MATLAB 语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言

11、，成为控制界学者的首选。2022/7/3119控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用为什么选择MATLAB？MATLAB 已经成为事实上的科学运算、仿真和CACSD的标准语言主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上对问题有整体了解，避免“只见树木，不见森林”的认识偏差提高控制器设计的效率和可靠性子曰:“工欲善其事，必先利其器”2022/7/3120控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用MAD 过程Mad modelling，analysis，design重复mad过程，设计出控制器系统建模系统分析系统设计2022/7/3121控

12、制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.2 CACSD环境综述20世纪70年代：1973年美国学者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一本专著，书中给出了许多当时流行的控制系统计算机辅助分析与设计的源程序,包括求取系统的根轨迹、频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序如：Luenberger 观测器、Kalman 滤波等。瑞典 Lund 工学院教授 主持开发的一套交互式 CACSD 软件 INTRAC 日本的古田胜久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持开发的DPACS-F 软件等。2022/7/3122控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1980年美国

13、学者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视图形交互式的模型输入计算机仿真环境 Simulink 的出现为MATLAB应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。现在，MATLAB 已经风靡了全世界，成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言。2022/7/3123控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段这些软件包大都是由 FORTRAN 语言编写的源程序组成的，给使用者提供了较好的接口，但和 MATLA

14、B 相比，调用方法和使用明显显得麻烦、不便。此外，以前 FORTRAN 语言绘图并不是轻而易举的事情，这就需要再调用相应的软件包来做进一步处理。2022/7/31控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 2420世纪70年代末期和80年代初期出现了很多实用的具有良好人机交互功能的软件，如：MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。正因为存在多种多样的 CACSD 软件，而它们之间又各有所长，所以在 CACSD 技术的发展过程中曾有过几次将若干常用软件集成在一起的尝试。2022/7/3125控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用英国UMIST的ECST

15、ASY项目：集成MATLAB，Framemaker，ACSL, Mathematica，LaTeX等诸多软件。依作者之见，这些集成出来的软件并不是很成功的，因为它们并没有达到预期的效果。事实上，从那以后每个软件的功能都有了明显的改善，MATLAB 语言有了自己的仿真功能，Simulink 从某种意义上来讲其功能和接口更优于ACSL , MATLAB 和 Mathematica 之间也有了较好的接口，它们的优势可以得到充分地互补。2022/7/3126控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基

16、金重大项目开发的CADCSC软件。清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序。控制系统计算机辅助设计清华大学出版社1988以及北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和程序等。控制系统计算机辅助设计机械工业出版社，19862022/7/3127控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.3 仿真软件的发展概况仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视，建立起国际的仿真委员会 (Simulation Councils Inc.， Sci )，该公司于1967年通过了仿真语言规范。仿真语言CSMP (computer simulation modelling program) 应该属于建立在该标准上的最

17、早的专用仿真语言。中科院沈阳自动化研究所在1988年推出了该语言的推广版本 CSMP-C。2022/7/3128控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用ACSL语言，现在仍有可用版本和用户群MATLAB/Simulink 就是这样的仿真软件，由于它本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。其他语言如法国的Scilab：免费、开源、和MATLAB有相似性、兼容性功能弱于MATLAB/Simulink2022/7/3129控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.4 MATLAB/Simulink与 CACSD 工具箱早期的 MATLAB 的功能

18、十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。Cleve Moler 和 John Little 等人于1984年成立了一个名为 The MathWorks 的 公司The MathWorks 公司于1992 年推出了具有划时代意义的 MATLAB 4.0版本。2022/7/3130控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用MATLAB 目前已经成为控制界国际上最流行的软件，它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、图像处理、方便的 Windows 编程等便利工具。此外，控制界很多学者将自己擅长的 CAD 方法用MATLAB 加以实现，出现了大

19、量的 MATLAB 配套工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境 Simulink。2022/7/3131控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用早期的 CACSD 研究侧重于对控制系统的计算机辅助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响应的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察设计的效果。1.5 控制系统计算机辅助设计领域的新方法2022/7/3132控制系统计算机辅助设计MAT

20、LAB语言与应用除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些基于最优化技术的控制方法，其中比较著名的是英国学者 John Edmunds 提出的多变量参数最优化控制方法和英国学者 Zakian 提出的不等式控制方法等。与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表示与设计方法。此方法往往又称为时域方法 (time-domain)，首先在线性二次型指标下引入了最优控制的概念，并在用户的干预下(如人工选择加权矩阵)得出某种最优控制的效果，这样的控制又往往需要引入状态反馈或状态观测器新的控制概念。2022/7/3133控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用从控制系统的鲁棒性角度也出现了各种各样的控制

21、方法，如各种 最优控制的方案.随着控制器的阶次越来越高，还出现了很多的控制器降阶方法来实现设计出的控制器。线性矩阵不等式 (linear matrix inequalities) 及分析与综合等控制系统设计方法也在控制界有较大的影响，而这些方法不通过计算机这样的现代化工具是不能完成的。2022/7/3134控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用智能控制系统的设计（模糊逻辑控制器、神经网络控制器、学习控制等）分数阶控制领域也出现了很多新的研究成果，是控制理论的一个较新的研究领域。Astrom教授和合作者对传统的，也是工业中应用最广泛的 PID 控制器进行了改进，提出了自整定 PID 控制器

22、更加切合于过程控制的实际应用。2022/7/3135控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用第1章对国际上最流行的一些 CACSD 专用软件作简要的介绍，阐释了为什么应该采用 MATLAB 作为主要计算机语言的原因。第2章系统地介绍 MATLAB 编程的基础。第3章介绍在 MATLAB 环境中如何表示各种各样的线性系统数学模型。1.6 本书的基本结构和内容2022/7/3136控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用第4章介绍线性控制系统的基本分析方法。第5章介绍基于 Simulink 的非线性系统建模方法与技巧。第6章介绍各种经典的控制系统设计方法。第7章介绍各类系统的鲁棒控制器设计

23、方法。第8章介绍自适应控制与智能控制系统的建模、仿真与设计问题。第9章基于 dSPACE 和 Quanser 软硬件系统介绍了控制系统的办实物仿真及实时控制方法，为控制理论及方法的工程应用打好基础。2022/7/3137控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用本课程的互联网资源The MathWorks公司官方网站产品与全套工具箱手册下载第三方工具箱下载 产品在中国的代理MathWorks中国：北京九州恒润公司：2022/7/3138控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用MATLAB 大观园 (薛定宇维护)本书及相关内容资源 MATLAB 与应用论坛 (薛定宇维护)博士家园论坛网站 (各类数学问题)一些高校的 bbs清华大学、哈工大、上海交大、西安交大等2022/7/3139控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用MATLAB控制功能演示后续内容将详细介绍下面的演示实例，这里只给出必要的演示，侧重于演示MATLAB功能与简洁命令：系统模型的输入与转换线性系统计算机辅助分析稳定性、Bode图、根轨迹等复杂系统的建模与仿真系统设计2022/7/3140控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用例1 线性系统的模型表示与转换传递函数模型模型1 MATLAB语句：2022/7/3141控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用模型2MATLAB语句对应的