控制系統(tǒng)仿真與CAD：第1章 控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述

1、2022/7/31控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用東北大學信息學院 1國家級精品課程控制系統(tǒng)仿真與CAD2022/7/312控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用本課程教材薛定宇著控制系統(tǒng)計算機輔助設計- MATLAB語言與應用，北京：清華大學出版社， 2006國家級精品課程教材國家級精品教材國家級十一五規(guī)劃教材教育部自動化專業(yè)教指委規(guī)劃教材英文版：SIAM出版社，Linear Feedback Control, Analysis and Design with MATLAB，2007，TWM Research 2008控制學科推薦參考書2022/7/313控制系統(tǒng)計算機輔助

2、設計MATLAB語言與應用本課程的考核學生文獻閱讀（20%）：查閱課堂知識在具體工程實踐中應用實例的科研文獻，深入閱讀，并進行初步的仿真驗證，完成文獻閱讀報告 學生到課率和課堂講述交流（20%） 課堂作業(yè)（10%） 期末考試（50%） 2022/7/31控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用東北大學信息學院 4第 1 章 控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述薛定宇 著. 控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用 （第二版）. 清華大學出版社，2006 . CAI課件開發(fā): 解志斌、薛定宇2022/7/315控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用本章主要內容控制系統(tǒng)理論概述控制系統(tǒng)計算機輔

3、助設計技術的發(fā)展綜述控制系統(tǒng)計算機輔助設計語言環(huán)境綜述仿真軟件的發(fā)展概況MATLAB/Simulink與 CACSD工具箱控制系統(tǒng)計算機輔助設計領域的新方法2022/7/316控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用什么是控制系統(tǒng)？控制系統(tǒng)：由相互連接在一起提供期望的系統(tǒng)響應的各部分組成的整體。執(zhí)行裝置過程輸出期望輸出開環(huán)控制系統(tǒng)控制器過程測量比較輸出期望輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)2022/7/317控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用控制學科的前景控制將是21 世紀的物理學(Control will be the physics of the 21st century)國際著名學者、哈佛大

4、學的何毓琦(Larry Yu-Chi Ho) 教授John Doyle 教授，在第40屆IEEE 決策與控制年會(CDC) 全會開篇報告2022/7/318控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用控制學科的發(fā)展“控制”一詞應用廣泛，本課：工業(yè)控制、反饋控制自動控制系統(tǒng)的早期應用可以追溯到兩千多年前古埃及水鐘控制與中國漢代指南車控制1788年英國科學家James Watt為內燃機設計的飛錘調速器（flyball governor）可以認為是最早的反饋控制系統(tǒng)的工程應用 由于調速器出現振蕩現象，所以出現了Maxwell對微分方程系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論研究(1868)2022/7/319控制系統(tǒng)計算機

5、輔助設計MATLAB語言與應用控制理論的發(fā)展簡述基于微分方程及其穩(wěn)定性的理論研究Harris于1942年提出的傳遞函數的概念首先將通信學科的頻域技術移植到了控制領域，構成了控制系統(tǒng)頻域法理論研究的基礎系統(tǒng)的頻域分析技術是在Nyquist (1932年)、Bode (1945年)等早期的關于通信學科的頻域研究工作的基礎上建立起來的Evens在1946年提出的線性反饋系統(tǒng)的根軌跡分析技術是那個時代的另一個里程碑2022/7/3110控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用“現代”控制理論的三個代表前蘇聯學者Pontryagin(1956)極大值原理美國學者Bellman的動態(tài)規(guī)劃(1957年)

6、美國學者Kalman的狀態(tài)空間分析技術(1960年)線性二次型最優(yōu)調節(jié)器(Kalman 1959)、最優(yōu)狀態(tài)觀測器(Kalman 1960)及LQG控制器2022/7/3111控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用現代控制理論的發(fā)展狀態(tài)控制理論狀態(tài)空間理論（1960s-1980s）自適應控制多變量系統(tǒng)頻域分析魯棒控制智能控制。眾多其他分支狀態(tài)空間理論現在不宜稱為“現代控制理論”2022/7/3112控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用美國MIT模型參考自適應系統(tǒng)模型辨識瑞典學者Karl Astrom的自校正控制器英國學者Peter Gauthroup英國學者Wellstead英國

7、學者David Clarke的廣義預測控制器自適應控制2022/7/3113控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用多變量控制英國學派HH Rosenbrock 的逆 Nyquist 陣列 UMISTALG MacFarlane 特征軌跡法 CambridgeDavid Mayne，序貫回路閉合方法，ImperialDavid Owens，并矢方法 Sheffield以色列學者 Horowitz 的 QFT （Quatitative Feedback Theory）2022/7/3114控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用魯棒控制LQG/LTR基于范數的魯棒控制 （Zames, 1

8、980, Doyle et al, 1992）H2魯棒控制Hinf魯棒控制、最優(yōu)控制線性矩陣不等式 （LMI）最優(yōu)化方法分數階控制 (fractional order control)區(qū)間控制 (interval control)2022/7/3115控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用智能控制模糊邏輯與模糊邏輯控制專家系統(tǒng)神經網絡控制預測控制自學習控制，迭代自學習算法無模型控制器自整定PID控制器2022/7/3116控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用控制系統(tǒng)設計過程1、建立控制目標2、確定控制變量3、對控制變量寫出指標要求5、得到執(zhí)行機構和傳感器的模型6、描述控制器模型并

9、選取待調整的關鍵參數7、優(yōu)化參數并分析性能4、建立系統(tǒng)的模型并確定執(zhí)行機構2022/7/3117控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術的發(fā)展綜述早期的控制系統(tǒng)設計可以由紙筆等工具容易地計 算出來，如 Ziegler 與 Nichols 于1942年提出的 PID 經驗公式就可以十分容易地設計出來。隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達到預期的效果，加之在計算機領域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現了控制系統(tǒng)的計算機輔助設計 (computer-aided control system design , CACSD)方法。202

10、2/7/3118控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用 控制系統(tǒng)的計算機輔助設計技術的發(fā)展目前已達到了相當高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系統(tǒng)領域在國際上最權威的IEEE控制系統(tǒng)學會的控制系統(tǒng)雜志(Control Systems Magazine)和IEEE學會的科研報告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關于CACSD的?？陙恚S著計算機技術的飛速發(fā)展，各類CACSD 軟件頻繁出現且種類繁多，MATLAB 語言出現以來，就深受控制領域學生和研究者的歡迎，已經成為控制界最流行、最有影響的通用計算機語言

11、，成為控制界學者的首選。2022/7/3119控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用為什么選擇MATLAB？MATLAB 已經成為事實上的科學運算、仿真和CACSD的標準語言主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費在沒有太大價值的底層重復性機械性勞動上對問題有整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認識偏差提高控制器設計的效率和可靠性子曰:“工欲善其事，必先利其器”2022/7/3120控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用MAD 過程Mad modelling，analysis，design重復mad過程，設計出控制器系統(tǒng)建模系統(tǒng)分析系統(tǒng)設計2022/7/3121控

12、制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用1.2 CACSD環(huán)境綜述20世紀70年代：1973年美國學者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一本專著，書中給出了許多當時流行的控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設計的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應、時間響應、以及各種控制系統(tǒng)設計的子程序如：Luenberger 觀測器、Kalman 濾波等。瑞典 Lund 工學院教授 主持開發(fā)的一套交互式 CACSD 軟件 INTRAC 日本的古田勝久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持開發(fā)的DPACS-F 軟件等。2022/7/3122控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用1980年美國

13、學者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視圖形交互式的模型輸入計算機仿真環(huán)境 Simulink 的出現為MATLAB應用的進一步推廣起到了積極性的推動作用?，F在，MATLAB 已經風靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計領域最普及也是最受歡迎的首選計算機語言。2022/7/3123控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用國際上控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件的發(fā)展大致分為幾個階段：軟件包階段、交互式語言階段及當前的面向對象的程序環(huán)境階段這些軟件包大都是由 FORTRAN 語言編寫的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和 MATLA

14、B 相比，調用方法和使用明顯顯得麻煩、不便。此外，以前 FORTRAN 語言繪圖并不是輕而易舉的事情，這就需要再調用相應的軟件包來做進一步處理。2022/7/31控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用東北大學信息學院 2420世紀70年代末期和80年代初期出現了很多實用的具有良好人機交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。正因為存在多種多樣的 CACSD 軟件，而它們之間又各有所長，所以在 CACSD 技術的發(fā)展過程中曾有過幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。2022/7/3125控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用英國UMIST的ECST

15、ASY項目：集成MATLAB，Framemaker，ACSL, Mathematica，LaTeX等諸多軟件。依作者之見，這些集成出來的軟件并不是很成功的，因為它們并沒有達到預期的效果。事實上，從那以后每個軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB 語言有了自己的仿真功能，Simulink 從某種意義上來講其功能和接口更優(yōu)于ACSL , MATLAB 和 Mathematica 之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢可以得到充分地互補。2022/7/3126控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用我國較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計成果是中科院系統(tǒng)科學研究所韓京清研究員等主持的國家自然科學基

16、金重大項目開發(fā)的CADCSC軟件。清華大學孫增圻、袁曾任教授的著作和程序?？刂葡到y(tǒng)計算機輔助設計清華大學出版社1988以及北京化工學院吳重光、沈成林教授的著作和程序等。控制系統(tǒng)計算機輔助設計機械工業(yè)出版社，19862022/7/3127控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用1.3 仿真軟件的發(fā)展概況仿真技術引起該領域各國學者、專家們的重視，建立起國際的仿真委員會 (Simulation Councils Inc.， Sci )，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。仿真語言CSMP (computer simulation modelling program) 應該屬于建立在該標準上的最

17、早的專用仿真語言。中科院沈陽自動化研究所在1988年推出了該語言的推廣版本 CSMP-C。2022/7/3128控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用ACSL語言，現在仍有可用版本和用戶群MATLAB/Simulink 就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經使得它成為自動控制、航空航天、汽車設計等諸多領域仿真的首選語言。其他語言如法國的Scilab：免費、開源、和MATLAB有相似性、兼容性功能弱于MATLAB/Simulink2022/7/3129控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用1.4 MATLAB/Simulink與 CACSD 工具箱早期的 MATLAB 的功能

18、十分簡單，當它作為免費軟件出現以來，還是吸引了大批的使用者。Cleve Moler 和 John Little 等人于1984年成立了一個名為 The MathWorks 的 公司The MathWorks 公司于1992 年推出了具有劃時代意義的 MATLAB 4.0版本。2022/7/3130控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用MATLAB 目前已經成為控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數據處理、圖像處理、方便的 Windows 編程等便利工具。此外，控制界很多學者將自己擅長的 CAD 方法用MATLAB 加以實現，出現了大

19、量的 MATLAB 配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設計工具箱、分析與綜合工具箱、神經網絡工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、以及仿真環(huán)境 Simulink。2022/7/3131控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用早期的 CACSD 研究側重于對控制系統(tǒng)的計算機輔助分析上，開始時人們利用計算機的強大功能把系統(tǒng)的頻率響應曲線繪制出來，并根據頻率響應的曲線及自己的控制系統(tǒng)設計經驗用試湊的方法設計一個控制器，然后利用仿真的方法去觀察設計的效果。1.5 控制系統(tǒng)計算機輔助設計領域的新方法2022/7/3132控制系統(tǒng)計算機輔助設計MAT

20、LAB語言與應用除了經典的多變量頻域方法之外，還出現了一些基于最優(yōu)化技術的控制方法，其中比較著名的是英國學者 John Edmunds 提出的多變量參數最優(yōu)化控制方法和英國學者 Zakian 提出的不等式控制方法等。與此同時，美國學者似乎更習慣于狀態(tài)空間的表示與設計方法。此方法往往又稱為時域方法 (time-domain)，首先在線性二次型指標下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預下(如人工選擇加權矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)觀測器新的控制概念。2022/7/3133控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現了各種各樣的控制

21、方法，如各種 最優(yōu)控制的方案.隨著控制器的階次越來越高，還出現了很多的控制器降階方法來實現設計出的控制器。線性矩陣不等式 (linear matrix inequalities) 及分析與綜合等控制系統(tǒng)設計方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過計算機這樣的現代化工具是不能完成的。2022/7/3134控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用智能控制系統(tǒng)的設計（模糊邏輯控制器、神經網絡控制器、學習控制等）分數階控制領域也出現了很多新的研究成果，是控制理論的一個較新的研究領域。Astrom教授和合作者對傳統(tǒng)的，也是工業(yè)中應用最廣泛的 PID 控制器進行了改進，提出了自整定 PID 控制器

22、更加切合于過程控制的實際應用。2022/7/3135控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用第1章對國際上最流行的一些 CACSD 專用軟件作簡要的介紹，闡釋了為什么應該采用 MATLAB 作為主要計算機語言的原因。第2章系統(tǒng)地介紹 MATLAB 編程的基礎。第3章介紹在 MATLAB 環(huán)境中如何表示各種各樣的線性系統(tǒng)數學模型。1.6 本書的基本結構和內容2022/7/3136控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用第4章介紹線性控制系統(tǒng)的基本分析方法。第5章介紹基于 Simulink 的非線性系統(tǒng)建模方法與技巧。第6章介紹各種經典的控制系統(tǒng)設計方法。第7章介紹各類系統(tǒng)的魯棒控制器設計

23、方法。第8章介紹自適應控制與智能控制系統(tǒng)的建模、仿真與設計問題。第9章基于 dSPACE 和 Quanser 軟硬件系統(tǒng)介紹了控制系統(tǒng)的辦實物仿真及實時控制方法，為控制理論及方法的工程應用打好基礎。2022/7/3137控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用本課程的互聯網資源The MathWorks公司官方網站產品與全套工具箱手冊下載第三方工具箱下載 產品在中國的代理MathWorks中國：北京九州恒潤公司：2022/7/3138控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用MATLAB 大觀園 (薛定宇維護)本書及相關內容資源 MATLAB 與應用論壇 (薛定宇維護)博士家園論壇網站 (各類數學問題)一些高校的 bbs清華大學、哈工大、上海交大、西安交大等2022/7/3139控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用MATLAB控制功能演示后續(xù)內容將詳細介紹下面的演示實例，這里只給出必要的演示，側重于演示MATLAB功能與簡潔命令：系統(tǒng)模型的輸入與轉換線性系統(tǒng)計算機輔助分析穩(wěn)定性、Bode圖、根軌跡等復雜系統(tǒng)的建模與仿真系統(tǒng)設計2022/7/3140控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用例1 線性系統(tǒng)的模型表示與轉換傳遞函數模型模型1 MATLAB語句：2022/7/3141控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言與應用模型2MATLAB語句對應的