第第 1 1 章章控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述n n 薛定宇薛定宇 著著控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计MATLAB 语言与应用语言与应用第二版，清华大学出版社第二版，清华大学出版社 2006n CAI课件开发：鄂大志课件开发：鄂大志 、薛定宇、薛定宇9/14/20241控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 本章主要内容本章主要内容n n控制系统计算机辅助设计技术的发展综述n n控制系统计算机辅助设计语言环境综述n n仿真软件的发展概况n nMATLAB/Simulink与 CACSD工具箱n n控制系统计算机辅助设计领域的新方法n n本书的基本结构和内容9/14/20242控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.1 1.1 控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计技术的发展综述技术的发展综述n n早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如出来，如 Ziegler Ziegler 与与 Nichols Nichols 于于19421942年提出的年提出的 PID PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。经验公式就可以十分容易地设计出来。n n随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计 (computer-aided (computer-aided control system design , CACSD)control system design , CACSD)方法。方法。9/14/20243控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。 早在早在19821982年年12 12 月和月和1984 1984 年年12 12 月，控制系统领域在国际上月，控制系统领域在国际上最权威的最权威的IEEEIEEE控制系统学会的控制系统杂志控制系统学会的控制系统杂志(Control (Control Systems Magazine)Systems Magazine)和和IEEEIEEE学会的科研报告集学会的科研报告集(Proceedings (Proceedings of IEEE)of IEEE)分别第一次出版了关于分别第一次出版了关于CACSDCACSD的专刊的专刊 近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD CACSD 软软件频繁出现且种类繁多，件频繁出现且种类繁多，MATLAB MATLAB 语言出现以来，就深受语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。9/14/20244控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 MATLAB MATLAB 作为主要程序设计语言来介绍控制系统作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅助设计的算法，可以使读者将主要精力计算机辅助设计的算法，可以使读者将主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解，避免较好的整体了解，避免“ “只见树木，不见森林只见树木，不见森林” ”的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。9/14/20245控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用子曰子曰:“ :“工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器” ”。跟踪国际最。跟踪国际最先先 进的进的 CACSDCACSD软件环境及发展，以当前国际上软件环境及发展，以当前国际上最流最流 行的行的 CACSDCACSD软件环境软件环境MATLABMATLAB为基本出为基本出发点来系发点来系 统地介绍控制系统计算机辅助设计技统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实术及软件实 现，从而大大提高现，从而大大提高 CACSDCACSD算法研究算法研究与实际应用的与实际应用的 效率和可靠性，这是本书的一个效率和可靠性，这是本书的一个主要目的。主要目的。9/14/20246控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.2 控制系统计算机辅助控制系统计算机辅助 设计语言环境综述设计语言环境综述n n2020世纪世纪7070年代：年代：19731973年美国学者年美国学者 MelsaMelsa 教授和教授和 Jones Jones 博士出版了一本博士出版了一本专著，书中给出了许多当时流行的控制系统计算机辅专著，书中给出了许多当时流行的控制系统计算机辅助分析与设计的源程序助分析与设计的源程序, ,包括求取系统的根轨迹、频包括求取系统的根轨迹、频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序如：如：LuenbergerLuenberger 观测器、观测器、KalmanKalman 滤波等。滤波等。9/14/20247控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用瑞典瑞典 Lund Lund 工学院教授工学院教授 主持开发的一套交互主持开发的一套交互式式 CACSD CACSD 软件软件 INTRAC INTRAC 日本的古田胜久日本的古田胜久 ( (KatsuhisaKatsuhisa FurutaFuruta) ) 教授主持开发的教授主持开发的DPACS-F DPACS-F 软件等。软件等。n n19801980年美国学者年美国学者 Cleve Cleve MolerMoler 等人推出的交互式等人推出的交互式MATLAB MATLAB 语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视n n图形交互式的模型输入计算机仿真环境图形交互式的模型输入计算机仿真环境 SimulinkSimulink 的出现的出现为为MATLABMATLAB应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。9/14/20248控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段当前的面向对象的程序环境阶段n n这些软件包大都是由这些软件包大都是由 FORTRAN FORTRAN 语言编写的源程序组成语言编写的源程序组成的，给使用者提供了较好的接口，但和的，给使用者提供了较好的接口，但和 MATLAB MATLAB 相比，相比，调用方法和使用明显显得麻烦、不便。调用方法和使用明显显得麻烦、不便。n n现在，现在，MATLAB MATLAB 已经风靡了全世界，成为控制系统仿真已经风靡了全世界，成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言。算机语言。9/14/20249控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用2020世纪世纪7070年代末期和年代末期和8080年代初期出现了很多实年代初期出现了很多实 用的具有良好人机交互功能的软件，如：用的具有良好人机交互功能的软件，如：MATLABMATLAB、前面提及的前面提及的 INTRACINTRAC和和 CTRL-C CTRL-C 等。等。正因为存在多种多样的正因为存在多种多样的 CACSD CACSD 软件，而它们之间软件，而它们之间又各有所长，所以在又各有所长，所以在 CACSD CACSD 技术的发展过程中曾技术的发展过程中曾有过几次将若干常用软件集成在一起的尝试。有过几次将若干常用软件集成在一起的尝试。n n此外，以前此外，以前 FORTRAN FORTRAN 语言绘图并不是轻而易举的事情，语言绘图并不是轻而易举的事情，这就需要再调用相应的软件包来做进一步处理。这就需要再调用相应的软件包来做进一步处理。9/14/202410控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 n n依作者之见，这些集成出来的软件并不是很成功依作者之见，这些集成出来的软件并不是很成功的，因为它们并没有达到预期的效果。的，因为它们并没有达到预期的效果。 事实上，从那以后每个软件的功能都有了明显事实上，从那以后每个软件的功能都有了明显的改善，的改善，MATLAB MATLAB 语言有了自己的仿真功能，语言有了自己的仿真功能，SimulinkSimulink 从从某种意义上来讲其功能和接口更优于某种意义上来讲其功能和接口更优于ACSL , MATLAB ACSL , MATLAB 和和 MathematicaMathematica 之间也有了较好之间也有了较好的接口，它们的优势可以得到充分地互补。的接口，它们的优势可以得到充分地互补。9/14/202411控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSCCADCSC软件。软件。n n清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序。清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序。n n以及北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和以及北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和程序等。程序等。9/14/202412控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.3 仿真软件的发展概况仿真软件的发展概况n n仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视，仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视，建立起国际的仿真委员会建立起国际的仿真委员会 (Simulation Councils (Simulation Councils Inc.Inc.， SciSci ) )，该公司于该公司于19671967年通过了仿真语言年通过了仿真语言规范。规范。n n仿真语言仿真语言CSMP (CSMP (computersimulationcomputersimulation modellingmodelling program) program) 应该属于建立在该标准上的最早的专应该属于建立在该标准上的最早的专用仿真语言。用仿真语言。n n中科院沈阳自动化研究所在中科院沈阳自动化研究所在19881988年推出了该语年推出了该语言的推广版本言的推广版本 CSMP-CCSMP-C。9/14/202413控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n系统仿真领域有很多自己的特性，如果能选择一种系统仿真领域有很多自己的特性，如果能选择一种能反映当今系统仿真领域最高水平，也是最实用的能反映当今系统仿真领域最高水平，也是最实用的软件或语言介绍仿真技术，使得读者能直接采用该软件或语言介绍仿真技术，使得读者能直接采用该语言解决自己的问题，将是很有意义的。语言解决自己的问题，将是很有意义的。n n实践证明，实践证明，MATLAB MATLAB 就是这样的仿真软件，由于就是这样的仿真软件，由于它本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航它本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。n n所以在本书中将介绍基于所以在本书中将介绍基于 MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink的控的控制系统仿真与设计方法及其应用。制系统仿真与设计方法及其应用。9/14/202414控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用1.4 MATLAB/Simulink与与 CACSD 工具箱工具箱n n早期的早期的 MATLAB MATLAB 的功能十分简单，当它作为免的功能十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。n nCleve Cleve MolerMoler 和和 John Little John Little 等人于等人于19841984年成立了年成立了一个名为一个名为 The The MathWorksMathWorks 的的 公司公司n nThe The MathWorksMathWorks 公司于公司于1992 1992 年推出了具有划时年推出了具有划时代意义的代意义的 MATLAB 4.0MATLAB 4.0版本。版本。9/14/202415控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n nMATLAB MATLAB 目前已经成为控制界国际上最流行的软目前已经成为控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的方便的 Windows Windows 编程等便利工具。编程等便利工具。n n此外，控制界很多学者将自己擅长的此外，控制界很多学者将自己擅长的 CAD CAD 方法用方法用MATLAB MATLAB 加以实现，出现了大量的加以实现，出现了大量的 MATLAB MATLAB 配套配套工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、具箱、 分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境 SimulinkSimulink。9/14/202416控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n早期的早期的 CACSD CACSD 研究侧重于对控制系统的计算机研究侧重于对控制系统的计算机辅助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能辅助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响把系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响应的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方应的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察法设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察设计的效果。设计的效果。1.5 控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计领域的新方法领域的新方法9/14/202417控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些基于最优化技术的控制方法，其中比较著名的是基于最优化技术的控制方法，其中比较著名的是英国学者英国学者 John Edmunds John Edmunds 提出的多变量参数最优化提出的多变量参数最优化控制方法和英国学者控制方法和英国学者 ZakianZakian 提出的不等式控制方提出的不等式控制方法等。法等。n n与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表示与设计方法。此方法往往又称为时域方法示与设计方法。此方法往往又称为时域方法 (time-domain)(time-domain)，首先在线性二次型指标下引入了首先在线性二次型指标下引入了最优控制的概念，并在用户的干预下最优控制的概念，并在用户的干预下( (如人工选择如人工选择加权矩阵加权矩阵) )得出某种最优控制的效果，这样的控制得出某种最优控制的效果，这样的控制又往往需要引入状态反馈或状态观测器新的控制又往往需要引入状态反馈或状态观测器新的控制概念。概念。9/14/202418控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n从控制系统的鲁棒性角度也出现了各种各样的控从控制系统的鲁棒性角度也出现了各种各样的控制方法，如各种制方法，如各种 最优控制的方案最优控制的方案. .n n随着控制器的阶次越来越高，还出现了很多的控随着控制器的阶次越来越高，还出现了很多的控制器降阶方法来实现设计出的控制器。制器降阶方法来实现设计出的控制器。n n线性矩阵不等式线性矩阵不等式 (linear matrix inequalities) (linear matrix inequalities) 及及 分分析与综合等控制系统设计方法也在控制界有较大析与综合等控制系统设计方法也在控制界有较大的影响，而这些方法不通过计算机这样的现代化的影响，而这些方法不通过计算机这样的现代化工具是不能完成的。工具是不能完成的。9/14/202419控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n分数阶控制领域也出现了很多新的研究成果，分数阶控制领域也出现了很多新的研究成果，是控制理论的一个较新的研究领域。是控制理论的一个较新的研究领域。n n 教教授和合作者对传统的，也是工授和合作者对传统的，也是工业中应用最广泛的业中应用最广泛的 PID PID 控制器进行了改进，控制器进行了改进，提出了自整定提出了自整定 PID PID 控制器更加切合于过程控控制器更加切合于过程控制的实际应用。制的实际应用。9/14/202420控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用 国际上出版了关于 MATLAB及 CACSD的专著和教材，但它们大都是MATLAB的入门教材，并没有真正深入、系统地探讨CACSD 技术及 MATLAB实现，将MATLAB的强大功能与控制领域成果有机结合是本书力图解决的主要问题。9/14/202421控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n第第1 1章章 对国际上最流行的一些对国际上最流行的一些 CACSD CACSD 专用软件专用软件作简要的介绍，阐释了为什么应该采用作简要的介绍，阐释了为什么应该采用 MATLAB MATLAB 作为主要计算机语言的原因。作为主要计算机语言的原因。n n第第2 2章章 系统地介绍系统地介绍 MATLAB MATLAB 编程的基础。编程的基础。1.6 本书的基本结构和内容本书的基本结构和内容9/14/202422控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n第第3 3章章 介绍在介绍在 MATLAB MATLAB 环境中如何表示各种各环境中如何表示各种各样的线性系统数学模型。样的线性系统数学模型。n n第第4 4章章 介绍线性控制系统的基本分析方法。介绍线性控制系统的基本分析方法。n n第第5 5章章 介绍基于介绍基于 SimulinkSimulink 的非线性系统建模方的非线性系统建模方法与技巧。法与技巧。n n第第6 6章章 介绍各种经典的控制系统设计方法。介绍各种经典的控制系统设计方法。9/14/202423控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n n第第7 7章章 介绍各类系统的鲁棒控制器设计方法。介绍各类系统的鲁棒控制器设计方法。n n第第8 8章章 介绍自适应控制与智能控制系统的建模、介绍自适应控制与智能控制系统的建模、仿真与设计问题。仿真与设计问题。n n第第9 9章章 基于基于 dSPACEdSPACE 和和 QuanserQuanser 软硬件系统介绍软硬件系统介绍了控制系统的办实物仿真及实时控制方法，为控了控制系统的办实物仿真及实时控制方法，为控制理论及方法的工程应用打好基础。制理论及方法的工程应用打好基础。9/14/202424控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用本课程的互联网资源本课程的互联网资源n nThe MathWorks公司官方网站n n产品与全套工具箱手册下载产品与全套工具箱手册下载http:/www.mathworks.comhttp:/www.mathworks.comn n第三方工具箱下载第三方工具箱下载 http:/www.matlabcentral.comhttp:/www.matlabcentral.comn n产品在中国独家代理 (北京九州恒润公司)n nhttp:/http:/www.hirain.comwww.hirain.com9/14/202425控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用n nMATLAB 大观园 (薛定宇维护)n n本书及相关内容资源本书及相关内容资源n nhttp:/www.matlab-world.comhttp:/www.matlab-world.com n nMATLAB 与应用论坛 (薛定宇维护)n nhttp:/matlab.netsh.nethttp:/matlab.netsh.netn n博士家园论坛网站 (各类数学问题)n nhttp:/http:/www.bossh.netwww.bossh.netn n一些高校的 bbsn n清华大学、哈工大、上海交大、西安交大等清华大学、哈工大、上海交大、西安交大等9/14/202426控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用