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第五章-matlab在自动控制原理中的应用

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MATLAB在《自动控制原理》课程教学中的应用

MATLAB在《自动控制原理》课程教学中的应用

【】俞 倩 兰 ． 用 ＭＡ Ａ 辅 助 Ⅸ ５ 利 ＴＬ Ｂ 自动控 制原 理 》 学 ［ ． 教 Ｊ 常熟 理 工 】 学院 学 报 ， ０ ８ ２０．
４ ５ ６ ７ ８ ９ １
６ ６
中 国科教创 新导刊 Ｃ ｉ ｄ ｃ ｔ ｎ Ｉ ｏ ａ ｉｎ Ｈ ｒ ｌ ｈｎ Ｅ ｕ ａ ｉ ｎ ｖ ｔ ｅ ａｄ ａ ｏ ｎ ｏ
参 考 文 献
［】刘永 强 ， １ 董翠 敏 ． 谈Ⅸ自动 控 制原 理 》 程 教 学改 革 【】 湖南 农 浅 课 Ｊ． 机 ， ０ ８ １ ２０ ，． ［］胡 寿 松 ． ２ 自动 控 制 原 理 （ ５ ） ． 学 出 版 社 ， ０ ７ ６ 第 版 【 科 Ｍ】 ２０ ， ． 【］张志 涌 ． ３ 精通 ＭＡ Ｌ Ｂ ． 版 ［ ． Ｔ Ａ ６ ５ Ｍ】北京 航 空航 天 出版 社 ， ０ ３ ２０ ． ［１朱 成 志 ． ４ ＭＡＴＬＡＢ在 自动 控 制 原理 理 论 教 学 中的 应 用【】 铜陵 Ｊ． 职 业 技 术 学 院 学报 ， ０ ． ２ ０８
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利用 Ｓ ｍｕ ｉ ｋ ｉ ｌ 提供 的Ｐ Ｄ 块 ， 建 系 统框 图如 图５ ｎ Ｉ模 搭 Ｎ示 。 双 击 Ｐ Ｄ控制 模 块 ， 得 到 函数 参 数 模 块 ， 而 可 直 接 对Ｐ Ｄ调 Ｉ 可 进 Ｉ 节 器 的 三 个 参 数 ， ， 进 行 调 节 ， 到 系 统 不 同 的 阶跃 响应 曲 得 线 。 如 当取 Ｋ ＝１ ， ｉ ０ ， ａ ０时 ， 得 到 如 下 曲线 （ 图６ 。 例 ０ Ｋ ＝１ ０Ｋ ＝１ 可 如 ） 通 过 不 断 调 整三 个 参 数 ， 应 地 可 得 到 不 同 的 阶 跃 响 应 函数 ， 相 进 而 研 究 参 数 变 化 对 系 统输 出 的 影 响 ， 这里 不 再 一 一 罗列 。 当然 ， ＭＡＴ ＡＢ 件 的功 能 不局 限于 上 述 两 个方 面 。 于更 深 Ｌ 软 至 层次 的应 用 ， 要 结 合 具 体 课 程 内 容 和 教 学 目标 要 求 加 以 进 一 步 需 的分析 ， 这里 不 再 一 一 赘 述 。

MATLAB在自动控制原理中的应用

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
5.2 控制系统的时域分析
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。
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
5.1.2 控制系统模型的建立及转换函数
在MATLAB的控制系统工具箱中，各种LTI对象模型的生成和模型间的转换都可以 通过一个相应函数来实现。 表 生成LTI模型的函数 函数名称及基本格式 dss(a, b, c, d, …) filt(num, den, …) ss(a, b, c, d, …) tf(num, den, …) zpk(z, p, k, …) 功 能 生成（或将其它模型转换为）描述状态空间模型 生成（或将其它模型转换为）DSP形式的离散传递函数 生成（或将其它模型转换为）状态空间模型 生成（或将其它模型转换为）传递函数模型 生成（或将其它模型转换为）零极点增益模型
第 5 章 MATLAB在自动控制原理中的应用
[例] 求系统：
G (s) s s 1
2
2s 5
的方波响应，其中方波周期为6秒，持续时间12秒，采样周期为0.1秒。 MATLAB程序为： [u,t]=gensig('square',6,12,0.1); %生成方波信号 plot(t,u,'--');hold on; %绘制激励信号 sys=tf([1,1],[1,2,5]); %生成传递函数模型 lsim(sys,u,t); %系统对方波激励信号的响应 Linear Simulation Results hold on 1.2 y2=step([1,1],[1,2,5],t); %系统的阶跃响应 1 plot(t,y2,'r'); 0.8 该程序运行所得结果如图所示。

MATLAB在“自动控制原理”课程中的应用研究

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

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

MATLAB在自动控制原理中的应用
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。

数控技术matlab在自动控制原理中的应用

数控技术matlab在自动控制原理中的应用
系统1与系统2均为状态空间模式时的使用格 式。
格式3： [A,B,C,D]=parallel(A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D 2,out1,out2)
MIMO系统时，系统1与系统2之间的并联联 接方式，向量out1指明系统1的输出号数， out2指明系统2的输入号数。
例：系统结构图如图所示，求并联系统的数 学模型。 2020/5/12
共同属性p238 表8.1 Ts＝0，Ts＝－1 Td 输入时延 特有属性p239 表8.2
2020/5/12
8.1.2 LTI模型的建立
• dss(a,b,c,d…)生成描述状态空间模型 • filt(num,den…)生成dsp形式的离散传递函数(z-
1) • ss(a,b,c,d…)生成状态空间模型 • tf(num,den,…)生成传递函数模型 • zpk(z,p,k…)生成零极增益模型
系统1和系统2均为多项式模型时，左变量 为返回的闭环系统参数。右变量中num1和 den1为系统1参数向量；右变量中num2和 den2为系统2参数向量。
2020/5/12
格式2：
[A,B,C,D]=series(A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2)
系统1与系统2均为状态空间模式时的使用格 式。
2020/5/12
格式1：给定num,den，求系统的阶跃响应 并作图，时间向量t的范围自动设定。给 定A, B, C,D求系统的阶跃响应并作图， 时间向量的范围自动设定。
格式2：时间向量t的范围由人工设定，等 间隔。例：t=0:0.1:3。
格式3：返回变量格式。返回输出变量y、 状态变量x，不作图。
2020/5/12
8.1 控制工具箱中的LTI对象

MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析

MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析

MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析自动控制原理是十分重要的课程之一，其实验教学开展的教学效果将直接影响到自动控制原理课程的教学效果与教学目标的实验。

传统自动控制原理实验箱无法拓展，受环境限制影响较大，难以指导学生深入了解参数变化与系统性能之间的关系等缺陷提出了在自动控制原理实验教学中运用MATLAB，以弥补传统实验箱开展实验教学的缺陷，同时激发学生参与自动控制原理实验的兴趣，全面提高学生综合实践能力与独立探索思維。

标签：MATLAB；自动控制原理；实验教学自动控制原理课程是电气工程及其自动化控制专业的重要基础课程，直接影响到学生是否能够真正掌握电气工程自动化控制的核心。

在自动控制原理课程中实验教学是十分关键的，其能够将自动控制原理课程中晦涩、抽象的理论用于指导实践，让学生在形象、直观的实验过程中学会理论联系实际，从而获得更强的实践能力。

MATLAB是一种常用的软件，在自动控制原理实验教学中运用MATLAB可以进一步提升自动控制原理实验教学的实效性。

1 “自动控制原理”实验教学教育不仅仅是概念性的，同时也是经验性的、操作性的。

学生在学习过程中往往都需要通过直接的操作经验、具体事例以及实际应用才能够提升学习质量。

自动控制原理是一门电气工程与自动化专业中的基层课程，在电气及其自动化专业中占据着十分重要的地位。

自动控制原理课程的主要教学内容涵盖了控制系统的数学模型、非线性系统分析、频率法等。

自动控制原理课程概念抽象、计算复杂、涉及数学计算难度大，学生在学习过程中总是难以完全理解[1]。

在自动控制原理课程教学中实验教学是不可或缺的重要教学环节，是自动控制原理理论与实践的桥梁。

在自动控制原理教学中重视实验教学不仅仅可以使得学生对自动控制原理中的理论有更加深入的理解与把握，同时还可以将理论与实践紧密的联系起来，有效提升自动控制原理课程的教学质量，同时使得学生对自动控制原理课程更有兴趣。

传统的自动控制原理实验教学所采用的都是电子模拟实验箱装置。

MATLAB在《自动控制原理与系统》教学中的应用4页word文档

MATLAB在《自动控制原理与系统》教学中的应用4页word文档

MATLAB在《自动控制原理与系统》教学中的应用《自动控制原理与系统》是电气自动化专业的主干课程之一。

它主要以自动控制理论作为系统分析的工具,以系统分析作为应用案例,研究自动控制系统的模型建立、性能分析和系统调试的基础理论与相关技术。

该课程涉及知识面广,信息量大,而且理论性和实践性较强,抽象概念及分析方法较多。

如果采用传统的教学方式,一方面教师需要花费大量时间在黑板上绘图、计算;另一方面,学生理解和接授知识会感觉枯燥难懂。

随着计算机的普及,多媒体教学手段的使用已非常普遍。

PowerPoint 功能强大,实用性强,操作简单,能够根据学生的学习进度进行交互式教学,克服了以往课堂教学的局限性,在很多学科教学中取得了良好的效果。

但是,《自动控制原理与系统》课程理论抽象且工程应用性强,学生学习该课程需要理论联系实际。

如果采用常规的多媒体教学手段,学生虽然在课堂上获得的信息量增加了,但对教学内容反而难以及时进行有效消化理解。

在强调面向实际、面向应用的高职教育中,亟需寻找一种简捷易行、方便直观的新型教学方式来弥补传统教学方式的不足。

针对该课程的特点、高职学生的基础及培养目标,在课程教学过程中,采用MATLAB 仿真软件进行辅助教学, 便于将抽象的理论知识形象化,可有效扩充教学信息,增加吸引力,有助于提高学生的学习兴趣。

MATLAB软件简介MATLAB是美国Math Works公司于1982年推出的可视化软件。

它集完善的数值分析、强大的矩阵计算、复杂的信号处理和完美的图形处理等功能于一体,构成一个方便实用的用户环境,方便进行科学分析和工程计算。

它所提供的可视化动态仿真软件包――SIMULINK,可实现动态系统建模、仿真与分析,具有直观、方便、灵活等优点。

应用MATLAB / SIMULINK对系统进行建模、仿真与分析,简单方便,只需要在模型窗口中使用鼠标拖放选定的功能模块并用信号线将之连结起来,不需要编写任何程序代码,就可以实现系统仿真。

MATLAB 在自动控制原理课程教学中的运用研究

MATLAB 在自动控制原理课程教学中的运用研究

MATLAB 在自动控制原理课程教学中的运用研究摘要:“自动控制原理”是自动化专业的重要专业基础课，其课程建设是非常必要和重要的。

近年来，MATLAB已被引入到教学实践中自动控制原理的教学和实验中，对实验教学的形式和内容进行了有力的改革，从而提高课堂教学的效率。

本文将Matlab的应用于教学课程“自动控制原理”，为了提高学生理解课程内容利用了其强大的数值计算和绘图功能以及抽象类的具体内容，从而提高教学效果。

关键词:自动控制原理；Matlab；教学改革引言“自动控制原理”自动化是最重要的基础课程，控制系统建模本课程内容包括基础理论和相关技术以及系统分析和系统设计。

它的特点是抽象的概念，大量的数学内容和复杂的计算，这使学生难以理解。

因此，需要在教学内容和教学方法上对课程进行更新。

MATLAB语言是一种科学计算语言，集成了强大的功能，例如数值计算、符号运算和图形处理，适用于工程应用各个领域的分析，设计和复杂计算，易于学习和使用，并且不需要用户具备高级技能。

数学知识和编程技能已成为大学教学和科学研究中最常用的工具，掌握此工具将大大提高课程教学，解决问题的作业和分析研究的效率。

一、MATLAB软件及其特点MATLAB编程语言是1980年代美国公司Mathewrks推出的一种数值分析软件，它也是世界上最好的数值计算软件，它具有开放的环境，强大的矩阵运算、图形渲染、数据处理、各种工具箱以及类似“草稿纸”的工作区。

在欧美大学中，MATLAB编程语言已成为自动控制课程的基础教学工具。

MATLAB软件具有以下优点:（一）强大而广泛的应用Matlab语言矩阵为基本单位，可以用于矩阵操作，操作复杂，几乎可以实现所有科学和工程运算与MATLAB，这些操作用于各种行业，例如自动控制、语言处理、图像信号处理以及建筑、航空航天和计算机技术。

在极其广泛的应用中，MATLAB在科学和工程技术的各个领域中发挥着越来越重要的作用。

（二）语言简洁高效，编程效率高MATLAB编程语言是高度集成的，简洁的语言。

基于matlab在自动控制原理中的应用(精)

基于matlab在自动控制原理中的应用(精)

[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=

Matlab在《自动控制原理》教学课件中的应用

Matlab在《自动控制原理》教学课件中的应用

Matlab在《自动控制原理》教学课件中的应用[摘要] 科技的高速发展促使职业教育必须加快其改革的步伐,基于实际自动控制系统的特点,在教学课件中引入控制工程实例,将目前控制系统分析与设计中常用的MATLAB数字仿真技术应用于《自动控制原理》的多媒体课堂教学当中。

从而开发能激发学生兴趣,提高教学效率的多媒体课件,达到创新教育和素质教育的目标。

[关键词] 自动控制原理MATLAB多媒体课件一、《自动控制原理》课程的教学现状《自动控制原理》是电气专业的一门专业基础课,它是以工程数学、电子技术以及多门电学专业课为基础,讲述自动控制系统的基本概念、建立控制系统数学模型、分析系统性能、进行系统设计的基础理论和相关技术。

在实际教学中,这门课上课的老师和学生都觉得效果不好,学完之后,学生抓不住重点,甚至有些学生很讨厌这门课。

主要原因有以下几个方面:1、内容多,学时少2、教学模式单一,课堂教学枯燥,没有生机3、虽然许多教师制作了《自动控制原理》课程的课件,多媒体的授课方式逐步取代了传统的教学方式,但是,限于课件制作时间较短,部分教师制作的多媒体课件仅仅是把讲义从黑板搬到了屏幕上,没有发挥多媒体生动直观的优势。

二、Matlab在自动控制原理课程中的应用Matlab是一种专业的计算机程序,用于数值计算、符号运算及图形处理。

从教学方面来说,优秀的仿真软件有助于提高学生的学习兴趣,有效地扩充教学信息,增加吸引力,使教学更加生动、形象。

这对于高职院校的学生来说显得尤为重要。

Matlab工具箱分为两大类:功能性工具箱和学科性工具箱。

其中Simulink是一个模块化的系统动态仿真环境,是Matlab的重要组成部分,并且使用方便,只需要用鼠标拖动的方法,就能很快地建立系统的框图模型,并可选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果。

在仿真过程中可以随意改变参数,实时观测系统的变化,交互性好。

数控技术matlab在自动控制原理中的应用

数控技术matlab在自动控制原理中的应用

利用Matlab实时监控加工过程， 对异常情况进行预警和调整，确 保加工过程的稳定性和安全性。
基于Matlab的数控机床故障诊断与预测
故障诊断
通过Matlab对数控机床的运行数据进行分析和处理， 检测和诊断机床的故障。
故障预测
利用Matlab对机床的运行状态进行预测，提前发现 潜在的故障风险，避免设备损坏和生产中断。
Matlab在控制系统建模中的应用
总结词：高效建模
详细描述：Matlab提供了丰富的数学函数库和图形界面，使得控制系统建模变得简单高效。用户可以通过简单的命令和操作 ，快速建立复杂的控制系统模型，并进行仿真和分析。
Matlab在控制系统建模中的应用
总结词：灵活性
详细描述：Matlab支持多种控制系统建模方法，如传递函数模型、状态空间模型、离散时间模型等。 用户可以根据需要选择合适的建模方法，以满足不同控制系统的需求。
促进技术创新
Matlab在数控技术中的应用为自动控制原理提供了新的研究方法 和思路，有助于推动相关技术的创新和发展。
未来研究与发展方向
深入研究Matlab算法优化
进一步探索Matlab算法的优化方法，以提高数控技术的计算效率和 精度。
拓展应用领域
将Matlab在数控技术中的应用拓展到更多领域，如机器人控制、航 空航天等高精度控制领域。
维护策略制定
根据故障诊断和预测结果，制定合理的维护和保养计 划，延长机床的使用寿命和提高生产效率。
05
结论与展望
数控技术Matlab在自动控制原理中的应用价值
提高系统稳定性
通过Matlab对数控技术进行模拟和优化，可以显著提高自动控制 系统的稳定性，减少实际运行中的误差和故障。

matlab在自控原理中的应用

matlab在自控原理中的应用

MATLAB在自控原理中的应用概述MATLAB是一种高度集成的数值计算环境和编程语言，广泛用于科学计算、数据分析和工程设计等领域。

在自控原理中，MATLAB具有广泛的应用，可以用于系统建模、控制器设计、性能评估等方面。

本文将介绍MATLAB在自控原理中的主要应用。

系统建模•MATLAB提供了丰富的工具和函数用于系统建模，包括线性时不变系统、非线性系统、离散系统等。

可以通过使用这些工具对自控系统进行数学建模，从而实现对系统性能的分析和优化。

•MATLAB中的System Identification Toolbox可以根据已知的输入输出数据对系统进行辨识，从而获得系统的数学模型。

这个模型可以用于系统控制器设计和性能评估。

控制器设计•MATLAB提供了多种控制器设计工具，如PID Control Toolbox、State-Space Control Toolbox等。

这些工具可以根据系统模型、性能要求和控制策略，自动设计出合适的控制器。

•PID Control Toolbox可以根据系统的动态响应要求，自动生成PID 控制器的参数，并进行性能评估和优化。

•State-Space Control Toolbox可以利用系统的状态空间模型，设计出满足系统性能要求的状态反馈控制器和观测器。

性能评估•MATLAB提供了多种性能评估工具和函数，用于分析和评估系统的性能。

这些工具可以评估系统的稳定性、鲁棒性、饱和度、频率响应等性能指标。

•通过使用MATLAB中的频域分析工具，可以分析系统的频率响应和频率特性，从而判断系统是否满足设计要求。

•通过使用MATLAB中的时域分析工具，可以分析系统的动态响应和稳定性。

控制系统仿真•MATLAB是非常强大的仿真工具，可以用于控制系统的仿真分析。

可以通过在MATLAB中构建系统模型和控制器模型，进行闭环仿真，评估系统的控制效果和性能。

•MATLAB提供了多种仿真工具箱，如Simulink、Control System Toolbox等。

matlab在自动控制原理中的应用

matlab在自动控制原理中的应用

MATLAB在自动控制原理中的应用1. 简介MATLAB是一种高级的科学计算软件，广泛应用于工程学、计算机科学、物理学等领域。

在自动控制原理中，MATLAB提供了强大的工具和函数，可以帮助工程师和研究人员轻松地进行系统建模、系统分析和控制设计。

2. 系统建模在自动控制原理中，系统建模是非常重要的一步。

MATLAB提供了多种建模工具和函数，可以根据系统的物理特性或实验数据来建立数学模型。

•使用MATLAB的符号计算工具，可以将系统的微分方程或差分方程进行符号化处理，得到系统的传递函数或状态空间模型。

- 通过符号计算，得到系统的微分方程或差分方程- 使用符号计算工具，将方程符号化处理- 得到系统的传递函数或状态空间模型•如果已经有系统的输入输出数据，可以使用MATLAB的系统辨识工具，通过对数据进行处理和分析，得到系统的数学模型。

- 收集系统的输入输出数据- 使用系统辨识工具，对数据进行处理和分析- 得到系统的数学模型3. 系统分析系统分析是了解和评估系统性能的过程。

MATLAB提供了丰富的分析工具和函数，可以帮助工程师和研究人员进行系统的频率域分析、时域分析等。

•使用MATLAB的频率响应分析工具，可以对系统的幅频特性、相频特性进行分析，了解系统的频率响应。

- 使用频率响应分析工具，分析系统的幅频特性- 分析系统的相频特性•使用MATLAB的时域分析工具，可以对系统的步响应、阶跃响应等进行分析，了解系统的动态特性。

- 使用时域分析工具，分析系统的步响应- 分析系统的阶跃响应4. 控制设计控制设计是根据系统的需求和性能指标，设计控制器来实现对系统的控制。

MATLAB提供了多种控制设计工具和函数，可以帮助工程师和研究人员进行控制器的设计和优化。

•使用MATLAB的根轨迹设计工具，可以进行系统的根轨迹分析，针对系统的性能指标进行控制器的设计和调整。

- 使用根轨迹设计工具，进行系统的根轨迹分析- 针对系统的性能指标，设计和调整控制器•使用MATLAB的频率域设计工具，可以进行系统的频率域设计，根据系统的幅频特性和相频特性设计控制器。

MATLAB软件在自动控制原理中的应用

MATLAB软件在自动控制原理中的应用

MATLAB软件在自动控制原理中的应用作者：邵玉林来源：《电子技术与软件工程》2016年第04期摘要自动控制原理是自动化专业的核心基础课，这门课理论性很强，又比较抽象，同时又要求学生有一定的高等数学、电路理论等基础，但是由于高职和中职学生的普遍基础较差，对于高等数学和电路分析这俩门基础课他们都头痛，更何况要他们去学习自动控制原理这门课。

本文将MATLAB/Simulink软件和自动控制原理结合起来求解，不但使得学生理解起来更加容易，而且提高了课堂教学的效率。

【关键词】MATLAB 自动控制原理计算与仿真1 前言传统的“自动控制原理”教学，是教师在黑板上对理论进行板书讲解，学生边听边做笔记，这种方法的优点是可以根据需要保留，便于学生前后对知识进行比较、联想、帮助理解，但是它的缺点也是显而易见，自动控制原理的图像较多，画图不但需要大量的时间，而且很难画的很精确，随着科技的日新月异，计算机的多媒体技术在教学中得到了广泛的应用，只要在计算机上安装MATLAB软件，可以随时实现计算与仿真。

2 问题的引入在自动控制原理课程中，经常会遇到如下的计算求解，经常用到待定系数法、配方或者求极限等方法，想办法把它化为我们书上拉普拉斯变换表上的标准形式，从而求出时间域函数，求解的过程相对来说比较复杂，而且有的函数不易求解，对于比较复杂的问题可以用MATLAB来简化之。

3 MATLAB软件在自动控制原理中的求解利用matlab软件求传递函数的脉冲响应从以上的例题中我们可以看出，利用MATLAB软件嵌入到自动控制原理中求解，可以减少繁杂的计算。

这样高职学生更加容易接受。

4 SIMULINK仿真在自动控制原理中的应用MATLAB具有可靠丰富的运算、图形绘制、数据处理、图像处理和方便Wiindows编辑等功能，在教学过程中，将MATLAB语言嵌入到自动控制理论中应用，使得学生能把自动控制原理抽象内容（图形、模型的建立等）变得直观性，调动了学生的积极性和创造性，加深了学生对自动控制系统理论的理解，培养学生分析能力和综合能力，免于学生花费过多的时间在本课程的计算和作图上，这样使得学生对自动控制原理这门课不再谈虎色变。

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

MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用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。

标签：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。

现以连续系统中的时域分析法、频域分析法及根轨迹分析法为例介绍。

MATLAB在自动控制原理中的应用

MATLAB在自动控制原理中的应用

MATLAB在自动控制原理中的应用自动控制原理是控制理论的基础，用于描述和分析各种控制系统的设计和性能。

MATLAB是一种流行的数值计算软件，也是自动控制原理中广泛应用的工具。

MATLAB提供了丰富的功能和库，可以用于建模、仿真、分析和设计各种控制系统。

下面是MATLAB在自动控制原理中的几个常见应用：1. 系统建模和仿真：MATLAB提供了用于建立系统数学模型的工具包，比如Control System Toolbox。

使用这些工具，可以通过数学表达式或传递函数来描述系统的物理特性，然后可以使用模型进行仿真和分析。

仿真可以帮助理解系统的行为，优化系统的控制策略。

2. 控制器设计和分析：MATLAB提供了用于控制器设计和分析的工具包，例如Control System Toolbox和Simulink。

这些工具可以用于设计各种类型的控制器，如比例控制器、积分控制器、微分控制器和PID控制器。

还可以使用频域分析工具来评估控制系统的稳定性和性能。

3.系统优化：MATLAB提供了强大的优化工具箱，可以在给定性能指标的条件下，自动优化控制系统的参数。

可以使用这些工具来优化控制器的参数以达到要求的性能。

同时，还可以将优化问题建模为约束优化问题，并使用优化算法来解决这些问题。

4. 系统辨识：在实际控制应用中，经常需要从实验数据中估计系统的数学模型。

MATLAB提供了用于系统辨识的工具箱，如System Identification Toolbox。

可以使用这些工具来拟合实验数据，并估计系统的参数和结构。

5. 多体动力学仿真：MATLAB还提供了用于多体动力学仿真的工具包，如SimMechanics。

这些工具可以用于建立机械系统的动力学模型，并对系统进行仿真分析。

这在机械、航空航天和机器人等领域的控制系统设计中非常有用。

6. 状态估计和观测器设计：在控制系统中，通常需要估计无法直接测量的状态变量。

MATLAB提供了用于状态估计的工具包，如Kalmanfilter、Luenberger observer等。

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一、连续系统的传递函数模型
连续系统的传递函数如下：
C(s) b1sm + b2sm−1 + ... + bn s + bm+1 G(s) = = n n −1 R(s) a1s + a2s + ... + an s + an+1
对线性定常系统，式中s的系数均为常数，且 a1不等于零，这时系统在MATLAB中可以方便 地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确 定出来，这两个向量分别用num和den表示。 num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[a1,a2,…,an,an+1] 注意：它们都是按s的降幂进行排列的。
2．LTI模型的转换函数
表 模型检测函数
函数名及 调用格式 isct(sys) isdt(sys) isempty(sys) isproper issiso(sys) size(sys) 功 能 判断LTI对象sys是否为连续时间系统。若是，返回1；否 则返回0 判断LTI对象sys是否为离散时间系统。若是，返回1；否 则返回0 判断LTI对象sys是否为空。若是，返回1；否则返回0 判断LTI对象sys是否为特定类型对象。若是，返回1；否 则返回0 判断LTI对象sys是否为SISO系统。若是，返回1；否则返 回0 返回系统sys的维数
[ 例 5-4] 生 成 离 散 系 统 的 零 极 点 模 型 。 MATLAB源程序为： z={[] ,-0.5}; p={0.3,[0.1+2i,0.2-2i]}; k=[2,3]; s6=zpk(z,p,k,-1)
• 运行结果为：
• Zero/pole/gain from input 1 to output: ←从第 1 输入端口至 输出的零极点增益 • 2 • ------• (z-0.3) • Zero/pole/gain from input 2 to output: ←从第 2 输入端口至 输出的零极点增益 • 3 (z+0.5) • ------------------------• (z-(0.1+2i)) (z-(0.2-2i)) • Sampling time: unspecified • 表明该系统为双输入单输出的离散系统。
二、零极点增益模型
• 零极点模型实际上是传递函数模型的另一种表现形式， 其原理是分别对原系统传递函数的分子、分母进行分解 因式处理，以获得系统的零点和极点的表示形式。
(s − z1 )(s − z2 )...(s − zm ) G(s) = K (s − p1 )(s − p2 )...(s − pn )
•
• 属性说明：(1)当系统为离散系统时，给出了系统的采样周期 Ts。Ts＝0或缺省时表示系统为连续时间系统；Ts=-1表示系 统是离散系统，但它的采样周期未定。 • • (2) 输入时延Td仅对连续时间系统有效，其值为由每个 输入通道的输入时延组成的时延数组，缺省表示无输入时延。 (3)输入变量名InputName 和输出变量名 OutputName 允 许用户定义系统输入输出的名称，其值为一字符串单元数 组，分别与输入输出有相同的维数，可缺省。 (4)Notes 和用户数据 Userdata 用以存储模型的其它信 息，常用于给出描述模型的文本信息，也可以包含用户需要 的任意其它数据，可缺省。
12s3 + 24s2 + 20 举例：传递函数描述 1）G( s) = 4 2s + 4s3 + 6s2 + 2s + 2
》num=[12,24,0,20];den=[2 4 6 2 2];
4(s + 2)(s2 + 6s + 6)2 2） G( s) = s(s + 1)3 (s3 + 3s2 + 2s + 5)
》den=[1,9,45,87,50]; [z,p,k]=tf2zp(num,den) 》 z= p= k= 0 -6 -5 -3.0000+4.0000i -3.0000-4.0000i -2.0000 -1.0000 1
s(s + 6)(s + 5) G(s) = 结果表达式： (s + 1)(s + 2)(s + 3 + 4 j )(s + 3 − 4 j )
• P150 • 例10-5，10-6，10-7
LTI 对象属性的设置与转换 LTI对象属性的设置与转换
1．LTI对象属性的获取与设置 表 对象属性的获取和修改函数
函数名称及基本格式 ’, 数值, …) get(sys, ‘PropertyName PropertyName’ ’, 数值, …) set(sys, ‘PropertyName PropertyName’ ssdata, dssdata(sys) tfdata(sys) zpkdata(sys) class 功 能 获得LTI对象的属性 设置和修改LTI对象的属性 获得变换后的状态空间模型参数 获得变换后的传递函数模型参数 获得变换后的零极点增益模型参数 模型类型的检测
• 2．LTI对象 •
为了对系统的调用和计算带来方便。根据软件 工程中面向对象的思想，MATLAB通过建立专用的 数据结构类型，把线性时不变系统(LTI)的各种模型 封装成为统一的LTI对象。 MATLAB 控制系统工具箱中规定的 LTI 对象包 含了三种子对象： ss 对象、 tf 对象和 zpk 对象。每 个对象都具有其属性和方法，通过对象方法可以存 取或者设置对象的属性值。
借助多项式乘法函数conv来处理： 》num=4*conv([1,2],conv([1,6,6],[1,6,6])); 》den=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,1],conv([1,1], [1,3,2,5]))));
s3 + 11s2 + 30s 零极点增益模型： G( s) = 4 3 2 s + 9 s + 45 s + 87s + 50 》num=[1,11,30,0];
部分分式展开： 》num=[2,0,9,1]; 》den=[1,1,4,4]; [r,p,k]=residue(num,den) 》 r= p= 0.0000-0.2500i 0.0000+0.2500i -2.0000 0.0000+2.0000i 0.0000-2.0000i -1.0000
2s3 + 9s + 1 G(s) = 3 2 s + s + 4s + 4
第五章 MATLAB在自动控制原理的应用
5.1 控制系统的传递函数模型 5.2 控制系统的时域分析 5.3 控制系统的根轨迹 5.4 控制系统的频域分析 5.5 系统的状态空间分析函数 5.6 极点配置和观测器设置 5.7 最优控制系统设计
第五章 控制系统的数学描述与建模
� 控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的 地位，要对系统进行仿真处理，首先应当知道系统的数学 模型，然后才可以对系统进行模拟。同样，如果知道了系 统的模型，才可以在此基础上设计一个合适的控制器，使 得系统响应达到预期的效果，从而符合工程实际的需要。 �在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：传 递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统 的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这 些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。
tf对象 (传递函数)
num variable k
p zpk对象 (零极点增益) variable z a b ss对象 (状态空间) c d e StateNam e
LTI模型的建立及转换函数
在MATLAB的控制系统工具箱中，各种 LTI 对象模型的 生成和模型间的转换都可以通过一个相应函数来实现。
• 按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统 和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不 确定系统。 1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果 微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数 随时间而变化，则为时变系统。我们所讨论的系统 主要以线性定常连续系统为主。 2、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多 处的信号为脉冲序列或数码形式。这类系统用差分 方程来描述。 3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特 性为非线性的系统。
表 生成LTI模型的函数
函数名称及基本格式 dss(a, b, c, d, …) filt(num, den, …) ss(a, b, c, d, …) tf(num, den, …) zpk(z, p, k, …) 功 能 生成（或将其它模型转换为）描述状态空间模型 生成（或将其它模型转换为）DSP形式的离散传递函数 生成（或将其它模型转换为）状态空间模型 生成（或将其它模型转换为）传递函数模型 生成（或将其它模型转换为）零极点增益模型
典型系统的生成
1．随机生成N阶稳定的连续状态空间模型函数rss( ) 格式：sys = rss(N,P,M) 功能：随机生成 N 阶稳定的连续状态空间模型，该 系统具有 M 个输入， P 个输出。缺省是 P=M=1 ，即 sys=rss(N)。 2. 随机生成N阶稳定的连续线性模型系数函数 rmodel( ) 格式：[num,den]=rmodel(N,P) 功能：生成一个N阶连续的传递函数模型系统， 该系统具有P个输出。
•
递函数分子系数 传递函数变量 增益 极点 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 状态变量名
属性值的变量类型 由行数组组成的单元阵列 由行数组组成的单元阵列 s、z、p、k、z-1中之一 二维矩阵 由行数组组成的单元阵列 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
5.1 控制系统的传递函数模型