第第10章章 控制系统工具箱控制系统工具箱1控控制制系系统统工工具具箱箱是是建建立立在在MATLAB对对控控制制工工程程提提供供的的设设计计功功能能的的基基础础上上，为控制系统的建模、分析、仿真提供了丰富的函数与简便的图形用户界面。为控制系统的建模、分析、仿真提供了丰富的函数与简便的图形用户界面。 在在MATLAB中中，专专门门提提供供了了面面向向系系统统对对象象模模型型的的系系统统设设计计工工具具：线线性性时时不不变变系系统统浏浏览览器器（LTI Viewer）和和单单输输入入单单输输出出线线形形系系统统设设计计工工具具（SISO Design Tool）。）。利利用用LTI Viewer可可方方便便地地获获得得系系统统的的各各种种时时域域响响应应和和频频率率特特性性等等曲曲线线，并并得得到到系系统统的的性性能能指指标标，SISO Design Tool 设设计计具具有有极极点点配配置置、最最优优控控制制和和最最小小二二乘乘估估计计功功能能。控控制制系系统统工工具具箱箱还还具具有有开开放放性性和和可可扩扩展展性性，用用户户可可创创建常用的建常用的 M 文件来适应自己的特殊需要。文件来适应自己的特殊需要。控控制制系系统统工工具具箱箱允允许许使使用用经经典典控控制制理理论论和和现现代代控控制制理理论论，对对连连续续控控制制系系统统和离散控制系统进行仿真分析。和离散控制系统进行仿真分析。 210.1 线性时不变系统浏览器线性时不变系统浏览器 LTI Viewer 10.2 单输入单输出系统设计工具单输入单输出系统设计工具 SISO Design Tool3LTI Viewer简介简介LTI Viewer可以提供绘制浏览器模型的主要时域和频域响应曲线，可以利用可以提供绘制浏览器模型的主要时域和频域响应曲线，可以利用浏览器提供的优良工具，对各种曲线进行观察分析。浏览器提供的优良工具，对各种曲线进行观察分析。 在在 MATLAB命令窗口输入命令命令窗口输入命令 ltiview,即可进入即可进入 LTI Viewer窗口。窗口。 4LTI Viewer命令菜单及窗口设置命令菜单及窗口设置1.File菜单菜单【New Viewer】建立一个新的建立一个新的LTI Viewer窗口。窗口。 【Import】导入系统对象模型。导入系统对象模型。 【Expot】将当前将当前LTI Viewer窗口中的指定系统的窗口中的指定系统的对象模型保存到工作空间（对象模型保存到工作空间（Workspace）或者以）或者以.mat文件的形式保存在磁盘上。文件的形式保存在磁盘上。 【Toolbox Preferences】对新建立或重新启动的对新建立或重新启动的LTI Viewer窗口属性进行设置，对当前窗口无效。这窗口属性进行设置，对当前窗口无效。这些属性包括坐标单位、对系统指示参数的描述些属性包括坐标单位、对系统指示参数的描述(如调如调节时间的定义、上升时间的定义等）、坐标颜色、坐节时间的定义、上升时间的定义等）、坐标颜色、坐标字体大小等。标字体大小等。52.Edit菜单菜单【Plot Configurations】对显示窗口及显示内容进行配置。对显示窗口及显示内容进行配置。可可以以选选择择LTI Viewer所所绘绘制制曲曲线线的的布布局局以以及及不不同同绘绘制制区区域域曲曲线线的的响响应应类类型型选选择择 ， 其其 中中 响响 应应 类类 型型 主主 要要 有有 Step、 Impulse、 Bode、 Nyquist、 Nichols、Pole/Zero等。等。 6【Refresh Systems】当显示当显示配置发生变化后，使用此命令配置发生变化后，使用此命令会使各曲线显示区中的曲线处会使各曲线显示区中的曲线处于最佳显示位置。于最佳显示位置。 【Delete Systems】删除当前删除当前窗口中的对象模型。窗口中的对象模型。【Line Styles】对显示曲线的对显示曲线的颜色、线形、标记、坐标网格颜色、线形、标记、坐标网格等属性进行设置。等属性进行设置。 7【Viewer Preference】对当前窗对当前窗口的坐标单位、范围、窗口颜色、口的坐标单位、范围、窗口颜色、字体等窗口进行设置，并且该设置字体等窗口进行设置，并且该设置对当前对当前LTI Viewer窗口内所有曲线窗口内所有曲线显示有效。显示有效。 Units选择卡：设置图形显示时的频选择卡：设置图形显示时的频率、幅值以及相位的单位。率、幅值以及相位的单位。 Style选择卡：设置图形显示时的字选择卡：设置图形显示时的字体、颜色以及绘图网格。体、颜色以及绘图网格。 Characteristics选择卡：设置系统响选择卡：设置系统响应曲线的特性参数。应曲线的特性参数。 Parameters选择卡：设置系统响应选择卡：设置系统响应输出的时间变量与频率变量。输出的时间变量与频率变量。8LTI Viewer对象模型对象模型tf对象对象【调用格式调用格式】 sys=tf(num,den) 【说明说明】将由传递函数模型所描述系统封装成对应的系统对象模型。将由传递函数模型所描述系统封装成对应的系统对象模型。【调用格式调用格式】 sys=zpk(z,p,k) 【说明说明】将由零极点增益模型所描述系统封装成对应的系统对象模型将由零极点增益模型所描述系统封装成对应的系统对象模型ss对象对象【调用格式调用格式】 sys=ss(a,b,c,d) 【说明说明】将由状态空间模型所描述的系统封装成对应的系统对象模型。将由状态空间模型所描述的系统封装成对应的系统对象模型。zpk对象对象9曲线显示区的属性设置曲线显示区的属性设置单击右键弹出菜单，对选定的曲线显示区的属性进行设置。单击右键弹出菜单，对选定的曲线显示区的属性进行设置。【Plot Type】改变显示框内的显示内容。改变显示框内的显示内容。 【Systems】隐藏隐藏/显示指定对象模型的曲线。显示指定对象模型的曲线。 【Characteristics】显显示示重重要要参参数数点点标标记记和和标标记记线线。根根据据选选择择曲曲线线的的不不同同会会有有不不同同的的设设置置。对对时时域域曲曲线线的的设设置置主主要要包包括括上上升升时时间间、峰峰值值时时间间、进进入入稳稳态态时时间间、稳稳态态域域标标识识时时间间等等标标记记或或标标记记线线。对对频频域域曲曲线线的的设设置置主主要要包包括括峰峰值值响响应幅度裕量点、相交裕量点等标记或标记线。应幅度裕量点、相交裕量点等标记或标记线。 【Grid】显示显示/取消显示坐标网格。取消显示坐标网格。 【Normalize】对纵坐标归一化。对纵坐标归一化。 【Full View】使用系统提供的最大采样数显示曲线。使用系统提供的最大采样数显示曲线。 【Properties】设设置置曲曲线线图图的的名名称称、坐坐标标范范围围、单单位位、字字体体、颜颜色色等等属属性性，确定重要参数点的范围（如上升时间等）、相位图显示范围等。确定重要参数点的范围（如上升时间等）、相位图显示范围等。LTI Viewer属性设置属性设置10数据显示框的属性设置数据显示框的属性设置在曲线或活动标记点上单击右键，对选择标记点在曲线或活动标记点上单击右键，对选择标记点及对应的数据显示框属性的设置及对应的数据显示框属性的设置【Alignment】设置数据显示框相对于标记点的位置（上右、上左、下右、设置数据显示框相对于标记点的位置（上右、上左、下右、下左）。下左）。 【FontSize】设置数据显示框显示字符的大小。设置数据显示框显示字符的大小。 【Moveable】将指定的标记点设置成活动的。将指定的标记点设置成活动的。 【Delete】删除指定的标记点及对应的数据显示框。删除指定的标记点及对应的数据显示框。 【Interpolation】标记点被鼠标拖动时的插值方式选择。标记点被鼠标拖动时的插值方式选择。 Nearst根据系统给出的采样点运动（运动不连续）；根据系统给出的采样点运动（运动不连续）； Linear在两采样点间采用线性插值，根据插值数据运动（连续）。在两采样点间采用线性插值，根据插值数据运动（连续）。 【Trace Mode】根据对根据对x,y,xy三种方式的选择，标记点沿着所选择的方向三种方式的选择，标记点沿着所选择的方向运动。运动。11典型二阶系统的传递函数为典型二阶系统的传递函数为应用应用LTI Viewer对系统进行分析。对系统进行分析。1、在、在MATLAB命令窗口输入命令窗口输入 sys=tf(0.64,1,0.8,0.64) ltiview单单击击【File】 【Import】，选选择择在在Workspace中中的的系系统统模型模型 12132LTI Viewer窗口设置窗口设置单击单击【Edit】 【Plot Configurations】，选择显示，选择显示6个窗口，并设置每个窗口个窗口，并设置每个窗口响应的类型响应的类型 1415 SISO Design Tool简介简介 在命令窗口输入命令在命令窗口输入命令sisotool，即可进入，即可进入SISO Design Tool主窗口。主窗口。 SISO Design Tool快捷工具栏快捷工具栏 操作位置指示操作位置指示添加单极点添加单极点添加单零点添加单零点活动帮助指示活动帮助指示添加共轭极点添加共轭极点删除极点或零点删除极点或零点添加共轭零点添加共轭零点坐标放大坐标放大坐标缩小坐标缩小16单击单击【FS】可以产生可以产生4种种系统结构供用户选择，系统结构供用户选择，单击单击【+/】按钮可改变按钮可改变反馈的极性。反馈的极性。Bode图编辑区图编辑区根轨迹编辑区根轨迹编辑区环节环节C传递函数传递函数17SISO Design Tool命令菜单简介命令菜单简介 1.File菜单菜单【Import】导入系统设计对象模型。导入系统设计对象模型。 【Export】保存设计完成后的系统对象保存设计完成后的系统对象模型。模型。 【Save Session】保存设计工作环境保存设计工作环境（包括对系统的各种改动），供后续工作使（包括对系统的各种改动），供后续工作使用。用。 【Load Session】调入设计工作环境，调入设计工作环境，恢复保存时的状态。恢复保存时的状态。182.Edit菜单菜单【OpenLoop Nichols】对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。 【Prefilte Bode】对环节对环节F伯德图编辑区进行设置。伯德图编辑区进行设置。 上述上述4种设置均与单击右键的弹出菜单一致，主要内容包括增加种设置均与单击右键的弹出菜单一致，主要内容包括增加/删除零极点、删除零极点、设置给定系统参数限制区域（根据所选择曲线的不同，系统参数限制区域也设置给定系统参数限制区域（根据所选择曲线的不同，系统参数限制区域也不同）并在对应的曲线图中给出区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给不同）并在对应的曲线图中给出区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。 【SISO Tool Preference】针对针对SISO Design Tool所涉及的图形属性进所涉及的图形属性进行设置，主要内容包括显示曲线的坐标单位、坐标字体、字号、网络、上升行设置，主要内容包括显示曲线的坐标单位、坐标字体、字号、网络、上升时间定义范围数学模型的表示方式等显示属性。时间定义范围数学模型的表示方式等显示属性。【Root Locus】对根轨迹曲线编辑区进行设置。对根轨迹曲线编辑区进行设置。 【OpenLoop Bode】对开环伯德图编辑区进行对开环伯德图编辑区进行设置。设置。当窗口中出现前置滤波环节当窗口中出现前置滤波环节F伯德图编辑区和尼柯伯德图编辑区和尼柯尔斯图编辑区后，尔斯图编辑区后，【Edit】菜单中会出现下面两个菜单中会出现下面两个选项：选项：193.View菜单菜单【Root Locus】显示显示/取消根轨迹图编辑区。取消根轨迹图编辑区。 【OpenLoop Bode】显示显示/取消伯德图编辑区。取消伯德图编辑区。 【OpenLoop Nichols】显示显示/取消尼柯尔斯图编取消尼柯尔斯图编辑区。辑区。 【Prefilter Bode】显示显示/取消环节取消环节F（前置滤波器（前置滤波器环节）伯德图编辑区。环节）伯德图编辑区。 【System Data】显示环节显示环节G和环节和环节H的传递函数。的传递函数。 【ClosedLoop Poles】显示闭环极点列表。显示闭环极点列表。 【Design History】显示设计过程历史纪录。显示设计过程历史纪录。4.Compensators菜单菜单【Edit】对环节对环节C和环节和环节F进行设计或对已有的设计进进行设计或对已有的设计进行编辑（零极点的增加和删除）。行编辑（零极点的增加和删除）。 【Store/Retrieve】保存或使用所设计的对环节保存或使用所设计的对环节C和环节和环节F，主要用于多种，主要用于多种设计方案的比较。设计方案的比较。 【Clear】将环节将环节C和环节和环节F的传递函数置为的传递函数置为1。205.Analysis菜单菜单【Response to Step Command】在弹出的图形在弹出的图形窗口中显示系统阶跃响应曲线。窗口中显示系统阶跃响应曲线。 【Rejection of Step Disurbance】在弹出的图在弹出的图形窗口中显示系统对阶跃扰动的抑制曲线。形窗口中显示系统对阶跃扰动的抑制曲线。 【ClosedLoop Bode】在弹出的图形窗口中显在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。示闭环系统伯德图。 【Compensator Bode】在弹出的图形窗口中显在弹出的图形窗口中显示环节示环节C的伯德图。的伯德图。 【OpenLoop Nyquist】在弹出的图形窗口中显在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。示开环奈奎斯特图。 【Other Loop Responses】选择所希望的各类选择所希望的各类显示曲线。显示曲线。6.Tool菜单菜单【ContinuousDiscrete Conversions】对线性离散控制系统进行设计，对线性离散控制系统进行设计，主要对离散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。主要对离散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。 【Draw Simulink Diagram】构造系统的构造系统的Simulink仿真结构图。仿真结构图。211、在、在MATLAB命令窗口输入命令窗口输入 sys=tf(60,30,1,9,17,10) sisotool单击单击【File】 【Import】导入数据导入数据2、SISO Design Tool系统分析系统分析3、SISO Design Tool系统设计系统设计221、在、在MATLAB命令窗口输入命令窗口输入 sys=tf(15,0.15,1,0.01,0.0025, 0) sisotool 单击单击【File】 【Import】进行数据导入进行数据导入 2、SISO Design Tool系统分析系统分析3、SISO Design Tool系统设计系统设计4、Simulink仿真仿真23习题习题13.113.1 系统的传递函数为系统的传递函数为 使用使用LTI ViewerLTI Viewer图形工具分析系统。图形工具分析系统。 13.213.2 系统的传递函数为系统的传递函数为使用使用SISO Design ToolSISO Design Tool设计，使系统的速度误差系数小于设计，使系统的速度误差系数小于10s10s-1-1，24