matlab在機械的控制中地地的應用

1、Matlab 在機械工程控制中的應用班級：姓名：學號:時間：2010-11-14Matlab在機械工程控制中的應用一、機械工程控制簡介機械控制工程是研究控制論在機械工程中應用的科學。它是一門跨控制論和機械工程的邊緣學科。隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)的不斷向前發(fā)展，機械工程控 制論這門新興學科越來越為人們所重視。他不僅滿足今天自動化技術(shù)高度發(fā)展的 需要，同時也與信息科學和系統(tǒng)科學緊密相關， 更重要的是它提供了辯證的系統(tǒng) 分析方法，即不但從局部，而且從整體上認識和分析機械系統(tǒng)， 改進和完善機械 系統(tǒng)，以滿足科技的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的實際需要。i.i機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論的研究對象是機械

2、工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學問題。具體地講，機械控制路是研究系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系，也就是研究 機械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件下， 從系統(tǒng)的一定初始條件出發(fā)，所經(jīng)歷有 內(nèi)部的固有屬性所決定的整個動態(tài)歷程。 就系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間動態(tài)關 系而言，機械工程控制論的任務主要研究一下幾方面的為題：（i）當系統(tǒng)已定，輸入已知時，求出系統(tǒng)的輸出（響應），并通過輸出來研 究系統(tǒng)本身的有關為題，稱系統(tǒng)分析。（2）當系統(tǒng)已定，系統(tǒng)的輸出也已給定是，要確定系統(tǒng)的輸出盡可能符合 給定的最佳要求，稱系統(tǒng)的最優(yōu)控制。（3）當輸入已知輸出也一給定時，要確定系統(tǒng)，使其可能符合給定的最佳 要求，稱最優(yōu)設計

3、。（4）當輸入和輸出均已知時，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型， 稱系統(tǒng)的便是或系統(tǒng)識別。（5 ）當系統(tǒng)已定輸出已知時，要識別輸出輸出輸入的有關信息，成濾波與 預測。1.2控制系統(tǒng)的工作原理與組成所謂控制系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的輸出能按照要求的參考輸入或控制輸出進行調(diào)節(jié) 的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的工作原理可以歸納如下：（1）檢測被控量或輸出量的實際值。（2）將實際值與給定值進行比較得出的偏差值。（3）用片擦偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差?？刂葡到y(tǒng)分為閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定兀件、反 饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及矯正元件等單元組成。當一個系統(tǒng)沒 有反饋回路時，稱之為

4、開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)較閉環(huán)系統(tǒng)簡單，其系統(tǒng)組成沒有反 饋元件和比較元件。1 . 3系統(tǒng)的數(shù)學模型為了從理論上對控制系統(tǒng)的性能進行分析， 首要任務就是建立系統(tǒng)的數(shù)學模 型。系統(tǒng)的數(shù)學模型是描述系統(tǒng)的輸入量、 輸出量以及內(nèi)部變量之間關系的數(shù)學 表達式，它揭示了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)與其性能之間的內(nèi)在關系。系統(tǒng)的數(shù)學模型 有多種形式，這取決于變量與坐標的選擇，在時域，數(shù)學模型一般采用微分方程 獲一階微分方程組表示；在頻域，則采用傳遞函數(shù)和頻率特性來表示。建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，通常采用解析法和實驗法。解析法就是依據(jù)系統(tǒng)本身 所遵循的有關物理定律列寫數(shù)學表達式，在列寫方程的過程中往往要進行必要的 化簡。實驗法適用

5、于較復雜的系統(tǒng)。當研究者對系統(tǒng)的構(gòu)成、機理、信息傳遞等 缺乏了解，無法用解析法建立系統(tǒng)的數(shù)學模型是， 必須根據(jù)系統(tǒng)對某些典型輸入 信號的響應或其他實驗數(shù)據(jù)來建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，這種用實驗數(shù)據(jù)建立的數(shù)學 模型的方法也稱為系統(tǒng)辨識。二、MATLAB 簡介MATLAB是矩陣實驗室(Matrix Laboratory )的簡稱，是美國MathWorks 公司出品的商 業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交 互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函 數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語言的程序

6、等，主要應用于工程計算、 控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB產(chǎn)品族可以用來進行一下各種工作：數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、 工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、通訊系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融工程。Simulink是Matlab的重要組成部分，是面向結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真軟件，在可視化的 動態(tài)系統(tǒng)仿真中，它采用系統(tǒng)模塊直觀地描述系統(tǒng)，可十分方便地建立系統(tǒng)模型， 并可對系統(tǒng)進行模擬或線性化處理。因此MATLAB為系統(tǒng)的建模分析和設計提供 了有力的手段。三、MATLAB在機械工程控制中的應用MATLAB的名稱源自MatLaborat

7、ory ,它是一種科學計算軟件.專門以矩陣 的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起。并提供了 大量的內(nèi)置函數(shù).從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領域的 分析、仿真和設計工作。而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu).可以非常容易地 對MAllAB的功能進行擴充。控制系統(tǒng)工具箱是MATLAB軟件包中專門針對控制 系統(tǒng)工程設計的函數(shù)和工具的集合.主要用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設計和仿真。 所涉及的領域涵蓋經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容。包括根軌跡、極 點設置和線性二次最優(yōu)控制器設計等?？刂葡到y(tǒng)工具箱既可適用于連續(xù)時間系 統(tǒng)，也適用于離散時間系統(tǒng).并且可以實

8、現(xiàn)不同模型之間的相互轉(zhuǎn)換。用戶還能 夠輕松地繪制系統(tǒng)的時域或頻域響應和開環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖。MATLAB自身提供的開放式環(huán)境，可以讓用戶通過M文件建立自己的控制模型和控制算法。3.1數(shù)學模型的MATLAB的描述MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱，主要處理以傳遞函數(shù)為主要特征的經(jīng)典控制和 以狀態(tài)空間為主要特征的現(xiàn)代控制中的問題。 該工具箱為控制系統(tǒng)的建模、分析 和設計提供了一個完整的解決方案，是 MATLAB最有力和最基本的工具箱之一。 概括地說，控制系統(tǒng)工具箱具有以下幾方面的功能：(1)系統(tǒng)建模?？刂葡到y(tǒng)工具箱同時支持連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，能夠建 立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型、傳遞函數(shù)模型及傳遞函數(shù)零極點增益模

9、型，并可實現(xiàn)任 意兩者之間的轉(zhuǎn)換、可通過串聯(lián)、并聯(lián)、反饋連接及更一般的框圖建模來建立復 雜系統(tǒng)的模型；可通過多種方式實現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的離散化、離散系統(tǒng)的連續(xù)化及重 采樣。(2 )系統(tǒng)分析?？刂葡到y(tǒng)工具箱不僅支持對單輸入單輸出系統(tǒng)的分析，也支持對多輸入所輸出系統(tǒng)的分析。系統(tǒng)的頻率特性，可支持系統(tǒng)的Bode圖、Nyquist圖和Nichols圖的計算和繪制。對系統(tǒng)的時域響應，可支持對系統(tǒng)的單 位階躍響應、單位脈沖響應、零輸入響應，以及更廣泛的對任意輸入信號的響應 進行分析和仿真。（3 ）系統(tǒng)設計?？刂葡到y(tǒng)工具箱可計算系統(tǒng)的各種特性，如可控和可觀 Gramian矩陣、系統(tǒng)的可控和可觀矩陣、傳遞函數(shù)零極點

10、；頻域特性如穩(wěn)態(tài)裕度、 阻尼系數(shù)，以及根軌跡的增益選擇等?？芍С窒到y(tǒng)的可控、可觀標準型實現(xiàn)、均 衡實現(xiàn)、降價實現(xiàn)以及輸入延時的Pade估計?？蛇M行系統(tǒng)的極點配置，觀測器 設計以及LQ和LQG最優(yōu)控制等。3.2用MATLAB分析時間響應在MATLAB中可以用impulse函數(shù)、step函數(shù)和Isim函數(shù)對線性連續(xù)系統(tǒng)的 時間相應進行仿真計算。在求出系統(tǒng)的單位階躍響應后，根據(jù)系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標 的定義，可以得到系統(tǒng)的上升時間、峰值時間、最大超調(diào)量和調(diào)整時間等性能指 標。3.3利用MATLAB分析頻率特性Nyquist圖和Bode圖是系統(tǒng)頻率特性的兩種重要的圖形表達形式，也是對 系統(tǒng)進行頻率進行特性分

11、析的的重要方法。無論是Nyquist圖還是Bode圖，都非常適用于用計算機進行繪制。MATLAB提供了繪制系統(tǒng)那個的頻率特性極坐標 的圖的nyquist函數(shù)和繪制對數(shù)坐標的bode函數(shù)，通過這些函數(shù)，不僅可以得到 系統(tǒng)的頻率特性圖，而且還可以通過計算得到系統(tǒng)的頻域特征量。3.4利用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性在MATLAB中，如果已知系統(tǒng)的特征方程，極易求出系統(tǒng)的特征根。根據(jù)特 征根的分布情況，判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定。另外，在MATLAB中還提供了直接求解系 統(tǒng)幅值裕度和相位裕度的函數(shù)，通過這些函數(shù)可以直接分析函數(shù)是否穩(wěn)定以及系 統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。3.5利用MATLAB設計系統(tǒng)校正系統(tǒng)設計校正的方法是基于Bode圖的頻率分析法。3.6利用MATLA