机械控制实验讲义.docx
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机械控制实验讲义
《控制工程基础(经典控制部分)》
的MATLAB分析
机电工程系
郭天石 李建明
四川轻化工学院
二零零七年九月
前 言
在学习《工程控制基础》及其它相关的控制理论课程时,许多计算问题越来越离不开计算机辅助分析及计算机辅助设计。
在计算机性能迅速提高和各种软件大量涌现的今天,机辅分析与机辅设计也越来越方便。
我们希望,在进行机辅分析及机辅设计时,把主要精力放在对计算机计算处理后的数据、曲线的控制特性分析上,而不在编程及调试程序上花费太多的时间,使计算机真正成为学习相关课程和解决实际问题的工具。
因此,我们编写这本在MATLAB语言支持下进行控制方面的机辅分析及机辅设计的讲义,力图从实用的角度,介绍MATLAB语言在经典控制方面的一些典型应用。
第一章 MATLAB的基本使用
§1-1 MATLAB语言简介
MATLAB是一种高级矩阵语言,它由MathWorks公司于1984年正式推出,它的基本处理对象是矩阵,即使是一个标量纯数,MATLAB也认为它是只有一个元素的矩阵。
随着MATLAB的发展,特别是它所包含的大量工具箱(应用程序集)的集结,使MATLAB已经成为带有独特数据结构、输入输出、流程控制语句和函数、并且面向对象的高级语言。
MATLAB语言被称为一种“演算纸式的科学计算语言”,它在数值计算、符号运算、数据处理、自动控制、信号处理、神经网络、优化计算、模糊逻辑、系统辨识、小波分析、图象处理、统计分析、甚至于金融财会等广大领域有着十分广泛的用途。
MATLAB语言在工程计算与分析方面具有无可比拟的优异性能。
它集计算、数据可视化和程序设计于一体,并能将问题和解决方案以使用者所熟悉的数学符号或图形表示出来。
MATLAB语言和C语言的关系与C语言和汇编语言的关系类似。
例如当我们需要求一个矩阵的特征值时,在MATLAB下只需由几个字符组成的一条指令即可得出结果,而不必去考虑用什么算法以及如何实现这些算法等低级问题,也不必深入了解相应算法的具体内容。
就象在C语言下不必象汇编语言中去探究乘法是怎样实现的,而只需要采用乘积的结果就可以了。
MATLAB语言还有一个巨大的优点是其高度的可靠性。
例如对于一个病态矩阵的处理,MATLAB不会得出错误的结果,而用C或其它高级语言编写出来的程序可能会得出错误的结果。
这是因为MATLAB函数集及其工具箱都是由一些在该领域卓有研究成果,造诣很深的权威学者经过反复比较所得出来的最优方法,而且经过多年的实践检验被证明是正确可靠的。
§1-2 MATLAB的工作窗口
下面以MATLAB6.1为例介绍。
从实用的角度MATLAB的工作窗口包括命令窗口、M文件编辑器窗口、图形编辑窗口、数学函数庫、应用程序接口及在线窗口。
下面首先介绍MATLAB的命令窗口及M文件编辑器。
一、命令窗口
启动MATLAB之后,屏幕上自动出现命令窗口MATLAB,它是MATLAB提供给用户的操作界面,用户可以在命令窗口内提示符“>>”之后(有的MATLAB版本命令窗口没有提示符)键入MATLAB命令,回车即获得该命令的答案。
命令窗口内有File、Edit、View、Web、Window、Help等菜单条。
二、M文件编辑窗口
M文件是MATLAB语言所特有的文件。
用户可以在M文件编辑窗口内,编写一段程序,调试,运行并存盘,所保存的用户程序即是用户自己的M文件。
MATLAB工具箱中大量的应用程序也是以M文件的形式出现的,这些M文件可以打开来阅读,甚至修改,但应注意,不可改动工具箱中的M文件!
1.进入M文件窗口有两种方法
1)命令窗口—File—New—M-File;
2)命令窗口—点击“File”字样下面的
图标。
M文件编辑窗口的标记是“Untitled”(无标题的)。
当用户编写的程序要存盘时,Untitled作为默认文件名提供给用户,自然,用户可以,也应当自己命名。
若用户不自己命名,则MATLAB会对Untitled进行编号。
2.M文件的执行:
返回命令窗口,在当前目录(CurrentDirectory)内选择所要运行的M文件的目录,在命令窗口提示符“>>”后,直接键入文件名(不加后缀)即可运行。
注意:
(1)机器默认路径为一级子目录MATLAB6p1\work;
(2)MATLAB6.1以前的版本,运行M文件的方法稍有不同,它必须在File菜单下,打开“RunScript…”子菜单,键入需要运行的文件路径及名称再回车,在这种情况下,work作为根目录对待,不出现在M文件的路径之中。
本讲义的参考程序都是在M文件窗口下编制的。
三、在线帮助窗口
在命令窗口中键入Help(空格)函数名,可以立即获得该函数的使用方法。
§1-3MATLAB最基本的矩阵操作
作为命令窗口及M文件编辑器的应用实例,介绍几个最基本的矩阵运算命令。
一、矩阵的输入
在方括号内依次按行键入矩阵元素,在一行内的各元素之间用空格或逗号分开,每行之间用分号分开。
例如,在命令窗内输入
A=[223;454;789]↙(注意:
方括号,分号为矩阵行标记)
B=[1,3,5;6,-4,2;3,5,1]↙(逗号与空格功能相同)
A=2 23B=135
4546-42
789351
同理:
输入A1=[2 4 6]得到行矢量,
输入A2=[2;4;6]得到列矢量,
于是,当输入
C=[A;A1]↙ 有
C=223
454
789
246
A1作为矩阵C的最后一行,C和A相比,增加了一行。
二、矩阵的转置
矩阵A的转置用A′表示,显然,A1与A2互为转置,即A1'会得到以2,4,6为元素的列矢量。
思考一下输入C1=[A A2]↙
C2=[A A1']↙
有什么结果?
而输入[A;A1']有无意义?
三、矩阵的四则运算
1.矩阵的加减法:
当两个矩阵维数相同时可以直接进行“+”或“-”运算。
如D1=A+B,D2=A-B
2.矩阵的乘法:
当矩阵A,B维数相容时
C3=A﹡B:
普通意义下的矩阵相乘
C4=A.﹡B:
矩阵A与B的对应元素相乘
显然,A﹡B≠B﹡A(一般情况),而A.﹡B=B.﹡A。
A.﹡B称为数列型乘法,它要求参加运算的矩阵或数列具有相同的行列数,这是MATLAB语言中的一种特殊运算,它在今后求取函数值等运算时是很重要的。
实际上,前面所述的矩阵加、减法就是一种数列型运算。
3.矩阵的除法
D4=A\B:
表示A-1﹡B或inv(A)*B,即A的逆矩阵左乘矩阵B。
D5=B/A:
表示B﹡A-1或B﹡inv(A),即A的逆矩阵右乘B。
D6=A.\B:
表示B的每一个元素被A的对应元素除。
D7=A./B:
表示A的每一个元素被B的对应元素除。
显然,A.\B与A./B的各对应元素互为倒数。
读者可以思考一下,D6.﹡D7等于什么?
D8=inv(A):
A的逆矩阵。
打开M文件编辑窗口,将上述命令依次键入,得到fanli001如下:
参考程序fanli001:
矩阵的四则运算
A=[223;454;789]%三阶矩阵输入
B=[1,3,5;6,-4,2;3,5,1]%三阶矩阵输入
A1=[246]%行向量
A2=[2;4;6]%列向量
C=[A;A1]%矩阵A增加一行
C1=[AA2] %矩阵A增加一列
C2=[AA1'] %矩阵A增加一列
D1=[A+B] %矩阵相加
D2=A-B %矩阵相减
C3=A*B %矩阵与矩阵相乘
C4=A.*B %矩阵的对应元素相乘
D3=A\B %A的逆左乘B
D4=B/A %A的逆右乘B
D6=A.\B %B的各元素被A的对应元素除
D7=A./B %A的各元素被B的对应元素除
D8=inv(A) %A的逆矩阵
语句后面的%为语句说明符。
MATLAB中矩阵运算的其它主要命令可通过在线帮助获得。
§1-4 MATLAB的符号运算操作
一、进入符号运算功能
在命令窗口键入
symsxyzt↙
此后,即可以使用x,y,z,t等作自变量定义函数。
symsxyztreal↙规定所定义的变量为实型。
二、代数方程求解
使用命令solve可以求解代数方程,如求下例方程组
的解,命令为
[x,y]=solve(‘x^2+x*y+y-3=0,x^2-4*x-2*y+3=0’)
程序见范例程序fanli002。
参考程序fanli002:
代数方程求解
symsxy %进入符号运算功能
f1=x^2+x*y+y-3 %函数f1
f2=x^2-4*x-2*y+3%函数f2
[x,y]=solve('x^2+x*y+y-3=0','x^2-4*x-2*y+3=0')
%求解方程组
f1a=simplify(subs(f1))%用求解出的x,y检验方程1
f2a=simplify(subs(f2))%用求解出的x,y检验方程2
x=double(x)%将符号变量转换成浮点数
y=double(y)%将符号变量转换成浮点数
f1=subs(f1)%用浮点数x,y检验方程1
f2=subs(f2)%用浮点数x,y检验方程2
由solve求出的根是根的符号表达形式,是准确解。
命令simplify(f)表示化简,subs(f1)表示将求解出x,y代回f1中;double是将符号变量转换成浮点数,是准确解x,y的近似值。
这从程序运行f1a=0,f2a=0,f1≠0,f2≠0可以确认。
三、符号矩阵运算
符号矩阵可以和数值矩阵一样进行运算,例如:
求矩阵特征值eig,求矩阵的逆inv等命令都支持符号运算。
设
计算其特征值eig(A),逆矩阵inv(A),程序见fanli003。
参考程序fanli003:
符号矩阵的特征值
symstreal %定义为实型变量
A=[sin(t)-cos(t);cos(t)sin(t)]%定义矩阵A
B1=eig(A)%求矩阵A的特征值
B1=simple(B1)%化简A的特征值表达式
B2=inv(A)%求矩阵A的逆矩阵
B2=simple(B2)%化简A的逆矩阵表达式
C1=A*B2%检验A的逆矩阵
C1=simple(C1)%C1为单位矩阵
注意函数的输入方法,自变量用圆括号括起来。
四、微积分运算
设函数
,则MATLAB中微积分运算命令为
fiff(f):
求函数f对自变量x的一阶导数;
diff(f,2):
求函数f对自变量x的二阶导数;
int(f):
求函数f的不定积分
例1.1,设
试计算其一阶,二阶导数,积分运算,并作出函数图象,见范例fanli004。
参考程序fanli004:
函数的微分与积分
symsx
f=1/(5+4*cos(x))
ezplot(f)%函数f的曲线
f1=diff(f)%函数f的一阶导数
figure,ezplot(f1)%函数f一阶导数的曲线
f2=diff(f,2)%函数f的二阶导数
figure,ezplot(f2)%函数f二阶导数的曲线
g=int(int(f2))%函数f的二阶导数f2的二重积分
figure,ezplot(g)%函数f2二重积分的曲线
e=f-g%二阶导数的二重积分与原函数的差
e=simple(e)
figure,ezplot(e)
程序中
ezplot(f):
作函数
的图形,x的取值范围默认值为-2πfanli004的函数曲线
fanli004的一阶导函数曲线
fanli004的二阶导函数曲线
fanli004的二阶导函数的二重积分曲线
ezplot(f)是一个很有用的作图命令,它的其它应用形式,请查在线帮助。
细心的读者会发现,一个函数求二阶导数后再对二阶导数进行二重积分,其结果与原函数相差一个常数。
相当于纵坐标发生平移。
第二章 系统的时域特性
§2-1 传递函数
一、传递函数的两种形式
传递函数通常表达成s的有理分式形式及零极点增益形式。
设传递函数
1.有理分式形式
分别将分子、分母中s多项式的系数按降幂排列成行矢量,缺项的系数用0补齐。
上述函数可表示为
num1=[21](注意:
方括号,同一行的各元素间留空格或逗号)。
den1=[1221]
syss1=tf(num1,den1)
运行后,返回传递函数
的形式。
这种形式不能直接进行符号运算!
2.零极点增益形式
[Z,P,K]=tf2zp(num1,den1)
sys2=zpk(Z,P,K)
返回零、极点、增益表达式,其Z,P分别将零点和极点表示成列向量,若无零点或极点用[](空矩阵)代替。
运行得到
的
1点Z=-0.5
极点 P=-1,-0.5±j0.866
增益 K=2
指令zp2tf(Z,P,K)将零极点增益变换成有理分式形式,见程序fanli005。
参考程序fanli005:
传递函数的有理分式及零极点增益模型
num1=[21]%传递函数的分子系数向量
den1=[1221]%传递函数的分母系数向量
sys1=tf(num1,den1)%传递函数的有理分式模型
[Z,P,K]=tf2zp(num1,den1)
%有理分式模型转换成零极点增益模型
[num2,den2]=zp2tf(Z,P,K)
%零极点增益模型转换成有理分式模型
sys2=zpk(Z,P,K)%传递函数的零极点增益模型
[A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num1,den1)
%有理分式模型转换成状态空间模型
[A2,B2,C2,D2]=zp2ss(Z,P,K)
%零极点及增益模型转换成状态空间模型
[num1,den1]=ss2tf(A1,B1,C1,D1)
%状态空间模型转换成有理分式模型
[Z,P,K]=ss2zp(A2,B2,C2,D2)
%状态空间模型转换成零极点增益模型
程序中,命令tf2ss,zp2ss及ss2tf,ss2zp是状态空间模型与有理分式及零、极点、增益模型之间的相互转换。
二、传递函数框图的处理
用框图可以方便地表示传递函数的并联,串联及反馈。
为简洁,仅以有理分式模型为例。
1.并联
sysp=parallel(sys1,sys2)
[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)
2.串联
syss=series(sys1,sys2)
[nums,dens]=series(num1,den1,num2,den2)
3.反馈
sysc=feedback(syss,sys3,±1)默认值(-1)
[numc,denc]=feedback(nums,dens,num3,den3)
4.单位反馈
sysd=feedback(syss,1)
[numd,dend]=feedback(nums,dens,1,1)(单位反馈)
上面给出了同一指令的两种形式,相当于两套平行指令。
对于零极点增益形式,书写稍复杂一些,可先用zpk转换成系统形式,或用zp2tf转折换成有理分式形式后再进行框图化简操作。
三、简单函数的拉普拉斯变换
在MATLAB的符号功能中,可以对简单函数进行拉普拉斯正、逆变换。
拉氏正变换:
laplace(f(t))
拉氏逆变换:
ilaplace(L(s))
其中
为原函数,
为象函数。
命令格式参见fanli007。
参考程序fanli007:
拉普拉斯变换
symsstwabc
f1=sqrt((b-a)^2+w^2)/w*exp(-a*t)*sin(w*t+atan(w/(b-a)))%原函数f1
L1=laplace(f1)%f1的拉氏变换(象函数)
L1=simple(L1) %化简
f2=ilaplace(L1) %L1的拉氏逆变换
f2=simple(f2)%化简
在MATLAB中使用laplace及ilaplace命令时,要注意象、原函数的符号,特别是对初相不等于零的振荡系统,运行结果常常同手册上的结果相差一个符号,这要注意函数表达式成立的条件。
保险的办法是再使用拉氏变换的初值定理确定象、原函数的符号。
§2-2 系统时域特性曲线
在MATLAB中,当传递函数已知时,可以方便地求出系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应等曲线。
一、系统的单位阶跃响应step
step有以下几种格式
step(sys):
直接作出sys的单位阶跃响应曲线。
其中sys=tf(num,den)或sys=zpk(z,p,k),MATLAB自动决定响应时间。
step(sys,t)
设定响应时间的单位阶跃响应。
t可以设定为最大响应时间t=
t终值(秒),也可以设置为一个向量
t=0:
△t:
t终值
注意冒号的使用。
它产生一个从0到t终值的行矢量,元素之间的间隔为△t。
step(sys1,sys2,…,sysn)
在同一幅图上画出几个系统的单位阶跃响应。
[y,t]=step(sys);
命令输出对应时刻t的各个单位阶跃响应值,不画图。
语句后的分号控制数据的屏幕显示。
如果要查看机器计算了多少个数据,可以使用命令
size(y)
得出的结果也表明数据作为列矢量的行数。
要将计算出的[y,t]作成曲线,使用一般的作图命令
plot(t,y)
plot后面跟的两个参数横坐标在前,纵坐标在后。
参考程序见fanli008:
参考程序fanli008:
系统的单位阶跃响应
num1=[42]
den1=[2814114]
sys1=tf(num1,den1)%系统G1(s)
num2=[21]
den2=[14673]
sys2=tf(num2,den2)%系统G2(s)
[y1,t1]=step(sys1);%系统G1(s)的单位阶跃响应数据
[y2,t2]=step(sys2);%系统G2(s)的单位阶跃响应数据
step(sys1,sys2)%系统G1(s)、G2(s)的单位阶跃响曲线
figure,step(sys1,sys2,20)
%系统G1(s)、G2(s)在自选时间(20秒)内的单位阶跃响曲线
figure,plot(t1,y1)%系统G1(s)的单位阶跃响应曲线
figure,plot(t2,y2)%系统G2(s)的单位阶跃响应曲线
fanli008:
step(sys1,sys2,t)单位阶跃曲线
二、系统的单位脉冲响应
impulse命令格式与单位阶跃响应step的命令格式完全相同,只需将语句中的step用impulse代替即可。
针对同样的系统,其单位脉冲响应的参考程序见fanli009。
参考程序fanli009:
系统的单位脉冲响应
num1=[42]
den1=[2814114]
sys1=tf(num1,den1)
num2=[21]
den2=[14673]
sys2=tf(num2,den2)
[y1,t1]=impulse(sys1);%系统G1(s)的单位脉冲响应数据
[y2,t2]=impulse(sys2);%系统G2(s)的单位脉冲响应数据
impulse(sys1,sys2)%系统G1(s)、G2(s)的单位脉冲响应曲线
figure,impulse(sys1,sys2,20)
%系统G1(s)、G2(s)在自选时间(20秒)内的单位脉冲响应曲线
figure,plot(t1,y1)%系统G1(s)的单位脉冲响应曲线
figure,plot(t2,y2)%系统G2(s)的单位脉冲响应曲线
holdon,step(sys2)%系统G2(s)的单位阶跃和单位脉冲响应曲线
fanli009:
impulse(sys1,sys2)单位脉冲响应曲线
程序的最后一句holdon是当前图形保护模式。
当要将新图形作在当前图形上时,必须使用holdon。
而figure的含意是另开一个新的图形窗口,如果不用figure或holdon,则新的图形会占用原图形窗口,始终只保留一个最新的图形窗口。
三、一阶系统及二阶系统的时域特性
一阶系统及二阶系统是最基本也是最重要的系统,高阶系统总可以视为由若干个一阶和(或)二阶系统组合构成。
1.一阶系统(设增益为1)
影响系统特性的参数是其时间常数T,T越大,系统惯性越大,响应越慢。
参考程序fanli010给出了T=0.4,1.2,2.0,2.8,3.6,4,4六条单位阶跃响应曲线。
参考程序fanli010:
一阶系统的单位阶跃响应曲线
num=1;i=1;
fordel=0.1:
0.2:
1.1%一阶系统时间常数递增间隔
den=[4*del1];%一阶系统分母向量
step(tf(num,den))%一阶系统单位阶跃响应曲线
holdon,%不同时间常数的一阶系统单位阶跃响应曲线簇
i=i+1;
end
同理,可以作出对应的单位脉冲响应曲线,参考程序fanli011。
参考程序fanli011:
一阶系统的单位脉冲响应曲线
num=1;i=1;
fanli010一阶系统时间常数对单位阶跃响应的影响
fanli011一阶系统时间常数对单位脉冲响应的影响
fordel=0.1:
0.2:
1.1
den=[4*del1];
impulse(tf(num,den),10)%一阶系统单位阶脉冲应曲线
holdon,%不同时间常数的一阶系统单位脉冲响应曲线簇
i=i+1;
end
注意MATLAB中for语句的结构。
读者可以改变不同的增益,看看图形有何变化。
2.二阶系统(设0<ξ<1)
设二阶系统为
二阶系统的特征参数为固有频率
及阻尼比ξ。
当
增大,系统振动频率加快,振荡加剧;而随着ξ减小,系统振荡加剧,振荡峰尖锐。
参考程序fanli012示出了当ξ=0.5,
=1,2,3,4,5rad/s时的间接阶跃曲线簇。
参考程序fanli012:
不同固有频率的二阶系统的单位阶跃响应曲线(ξ=0.5)
i=1;
fordel=1:
1:
5;%二阶系统固有频率递增间隔
num=del^2;%二阶系统传递函数分子系数向量
den=[1deldel^2];%不同固有频率的二阶系统分母系数向量
step(tf(num,den),6)%二阶系统单位阶跃响应曲线
holdon,%不同固有频率的二阶系统单位阶跃响应曲线簇
i=i+1;
end
fanli012二阶系统固有频率对单位阶跃响应的影响
参考程序fanli013示出了同一二阶系统的单位脉冲响应曲线簇。
参考程序fanli013:
不同固有频率的二阶系统的单位脉冲响应曲线(ξ=0.5)
i=1;
fordel=1:
1:
5;
num=del^2;
den=[1deldel^2];%不同固有频率的二阶系统分母系数向量
impulse(tf(num,den),6)%二阶系统单位脉冲响应曲线
holdon,%不同