控制工程基础经典控制部分MATLAB分析.docx
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控制工程基础经典控制部分MATLAB分析
控制工程基础(经典控制部分)》
的MATLAB分析
第一章MATLAB的基本使用
§1-1MATLAB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。
§1-2MATLAB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。
、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。
、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)命令窗口一File—New—M-File;
2)命令窗口一点击“File”字样下面的口图标。
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,贝UMATLAB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
2
3
B=135
4
5
4
6-4
2
7
8
9
3
51
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=1
2
3
4
5
6
7
8
9
2
4
6
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=:
AA2:
C2=[AA1/]
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工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BD4=B/A%A的逆右乘BD6=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。
§1-4MATLAB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
厂2
x+xy+y-3=0
<
2
/—4x—2y十3=0的解,命令为
[x,y]=solve(‘xA2+x*y-+y0,xA2-4*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=xA2+x*y+y-3%函数fl
f2=xA2-4*x-2*y+3%函数f2
[x,y]=solve('xA2+x*y+y-3=0','xA2-4*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fl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,fl
工0,f2工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。
_sint—cost]
A二
设[costsint
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
B仁simple(BI)%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f二f(X),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
f-
fanli004。
5+4cosx
试计算其一阶,二阶导数,积分运算,并作出函数图象,见范例
参考程序fanli004:
函数的微分与积分
symsxf=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f=f(X)的图形,x的取值范围默认值为-2n fanli004的函数曲线 2 4/(5+4cos(x))sin(x) x fanli004的一阶导函数曲线 fanli004的二阶导函数曲线 x fanliOO4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 、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。 im-iS 设传递函数 G(s)二 i£ n ―an_jS j=0 G(s)二 Gi(s)二 numden 心【(sZi) i2 n i【(sPj) j 2s1 s32s22s1 1.有理分式形式 0补齐。 分别将分子、分母中s多项式的系数按降幕排列成行矢量,缺项的系数用 上述函数可表示为 num仁[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G1(s)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G1(s)的 零点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。 、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 G1(S)G2(S) 1+G1(s)G2(s)G3(s) sysc=feedback(syss,sys3,±1)%默认值(-1)[nume,dene]=feedback(nums,dens,num3,den3) Gl(S)G2(S) 1+Gl(S)G2(S) 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f(t)为原函数,L(s)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)A2+wA2)/w*exp(-a*t)*sin(w*t+atan(w/(b-a)))%原函数fl 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 num仁[42] den仁[2814114] sys仁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 Time(sec) 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) 1 G(s厂 Ts+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: —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: —阶系统的单位脉冲响应曲线 num=1;i=1; StepResponse edur-rpmA 20 25 fanli010—阶系统时间常数对单位阶跃响应的影响 fanli011—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 设二阶系统为 G(s) 二阶系统的特征参数为固有频率''n及阻尼比E。 当'n增大,
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