《計算機仿真第四章控制系統的分析方法》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《計算機仿真第四章控制系統的分析方法（28頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、CH4、控制系統的分析方法,早期的控制系統分析過程復雜而耗時，如想得到一個系統的沖激響應曲線，首先需要編寫一個求解微分方程的子程序，然后將已經獲得的系統模型輸入計算機，通過計算機的運算獲得沖激響應的響應數據，然后再編寫一個繪圖程序，將數據繪制成可供工程分析的響應曲線。 MATLAB控制系統工具箱和SIMULINK輔助環(huán)境的出現，給控制系統分析帶來了福音。 控制系統的分析包括系統的穩(wěn)定性分析、時域分析、頻域分析及根軌跡分析。,第一節(jié) 控制系統的穩(wěn)定性分析,對于連續(xù)時間系統，如果閉環(huán)極點全部在S平面左半平面，則系統是穩(wěn)定的。 對于離散時間系統，如果系統全部極點都位于Z平面的單位圓內，則系統是穩(wěn)定的
2、。 若連續(xù)時間系統的全部零極點都位于S左半平面；或若離散時間系統的全部零極點都位于Z平面單位圓內，則系統是最小相位系統。,一、系統穩(wěn)定及最小相位系統判據,2、直接判別 MATLAB提供了直接求取系統所有零極點的函數，因此可以直接根據零極點的分布情況對系統的穩(wěn)定性及是否為最小相位系統進行判斷。,二、系統穩(wěn)定及最小相位系統的判別方法,1、間接判別（工程方法） 勞斯判據：勞斯表中第一列各值嚴格為正，則系統穩(wěn)定，如果勞斯表第一列中出現小于零的數值，系統不穩(wěn)定。 胡爾維茨判據：當且僅當由系統分母多項式構成的胡爾維茨矩陣為正定矩陣時，系統穩(wěn)定。,,例exp4_1.m 已知某系統的模型如右所示：,要求判斷系
3、統的穩(wěn)定性及系統是否為最小相位系統。,例exp4_2.m 系統模型如下所示，判斷系統的穩(wěn)定性，以及系統是否為最小相位系統。,ii=find(條件式) 用來求取滿足條件的向量的下標向量，以列向量表示。,例如 exp4_1.m中的條件式為real(p0)，其含義就是找出極點向量p中滿足實部的值大于0的所有元素下標，并將結果返回到ii向量中去。這樣如果找到了實部大于0的極點，則會將該極點的序號返回到ii下。如果最終的結果里ii的元素個數大于0，則認為找到了不穩(wěn)定極點，因而給出系統不穩(wěn)定的提示，若產生的ii向量的元素個數為0，則認為沒有找到不穩(wěn)定的極點，因而得出系統穩(wěn)定的結論。,pzmap(p,z)
4、 根據系統已知的零極點p和z繪制出系統的零極點圖,第二節(jié) 控制系統的時域分析,一個動態(tài)系統的性能常用典型輸入作用下的響應來描述。響應是指零初始值條件下某種典型的輸入函數作用下對象的響應，控制系統常用的輸入函數為單位階躍函數和脈沖激勵函數（即沖激函數）。在MATLAB的控制系統工具箱中提供了求取這兩種輸入下系統響應的函數。,一、時域分析的一般方法,求取系統單位階躍響應：step() 求取系統的沖激響應：impulse(),1、step()函數的用法 exp4_3_.m,y=step(num,den,t)：其中num和den分別為系統傳遞函數描述中的分子和分母多項式系數，t為選定的仿真時間向量，
5、一般可以由t=0:step:end等步長地產生出來。該函數返回值y為系統在仿真時刻各個輸出所組成的矩陣。,y,x,t=step(A,B,C,D,iu)：其中A,B,C,D為系統的狀態(tài)空間描述矩陣，iu用來指明輸入變量的序號。x為系統返回的狀態(tài)軌跡。,如果對具體的響應值不感興趣，而只想繪制系統的階躍響應曲線，可調用以下的格式： step(num,den)；step(num,den,t)；step(A,B,C,D,iu,t)；step(A,B,C,D,iu)；,線性系統的穩(wěn)態(tài)值可以通過函數dcgain()來求取，其調用格式為：dc=dcgain(num,den)或dc=dcgain(a,b,c,d
6、),y,x,t=step(num,den)：此時時間向量t由系統模型的特性自動生成, 狀態(tài)變量x返回為空矩陣。,2、impulse()函數的用法,求取脈沖激勵響應的調用方法與step()函數基本一致。 y=impulse(num,den,t)；y,x,t=impulse(num,den)；y,x,t=impulse(A,B,C,D,iu,t) impulse(num,den)；impulse(num,den,t) impulse(A,B,C,D,iu)；impulse(A,B,C,D,iu,t),仿真時間t的選擇： 對于典型二階系統根據其響應時間的估算公式 可以確定。 對于高階系統往
7、往其響應時間很難估計，一般采用試探的方法，把t選大一些，看看響應曲線的結果，最后再確定其合適的仿真時間。 一般來說，先不指定仿真時間，由MATLAB自己確定，然后根據結果，最后確定合適的仿真時間。 在指定仿真時間時，步長的不同會影響到輸出曲線的光滑程度，一般不易取太大。 例exp4_6_.m,二、常用時域分析函數,時間響應探究系統對輸入和擾動在時域內的瞬態(tài)行為，系統特征如：上升時間、調節(jié)時間、超調量和穩(wěn)態(tài)誤差都能從時間響應上反映出來。MATLAB除了提供前面介紹的對系統階躍響應、沖激響應等進行仿真的函數外，還提供了大量對控制系統進行時域分析的函數，如： covar：連續(xù)系統對白噪聲的方差響應
8、initial：連續(xù)系統的零輸入響應 lsim：連續(xù)系統對任意輸入的響應 對于離散系統只需在連續(xù)系統對應函數前加d就可以，如dstep，dimpulse等。 它們的調用格式與step、impulse類似，可以通過help命令來察看自學。,三、時域分析應用實例,MATLAB的step()和impulse()函數本身可以處理多輸入多輸出的情況，因此編寫MATLAB程序并不因為系統輸入輸出的增加而變得復雜。,第三節(jié) 控制系統的頻域分析,頻率響應是指系統對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應，從頻率響應中可以得出帶寬、增益、轉折頻率、閉環(huán)穩(wěn)定性等系統特征。 頻率特性是指系統在正弦信號作用下，穩(wěn)態(tài)輸出與輸入之比對頻率
9、的關系特性。頻率特性函數與傳遞函數有直接的關系，記為：,一、頻域分析的一般方法,求取系統對數頻率特性圖（波特圖）：bode() 求取系統奈奎斯特圖（幅相曲線圖或極坐標圖）：nyquist(),頻域分析法是應用頻率特性研究控制系統的一種典型方法。采用這種方法可直觀地表達出系統的頻率特性，分析方法比較簡單，物理概念比較明確，對于諸如防止結構諧振、抑制噪聲、改善系統穩(wěn)定性和暫態(tài)性能等問題，都可以從系統的頻率特性上明確地看出其物理實質和解決途經。通常將頻率特性用曲線的形式進行表示，包括對數頻率特性曲線和幅相頻率特性曲線簡稱幅相曲線，MATLAB提供了繪制這兩種曲線的函數。,1、對數頻率特性圖（波特圖）
10、 exp4_10.m exp4_10_.m,對數頻率特性圖包括了對數幅頻特性圖和對數相頻特性圖。橫坐標為頻率w，采用對數分度，單位為弧度/秒；縱坐標均勻分度，分別為幅值函數20lgA(w)，以dB表示；相角，以度表示。,MATLAB提供了函數bode()來繪制系統的波特圖，其用法如下：,bode(a,b,c,d)：自動繪制出系統的一組Bode圖，它們是針對連續(xù)狀態(tài)空間系統a,b,c,d的每個輸入的Bode圖。其中頻率范圍由函數自動選取，而且在響應快速變化的位置會自動采用更多取樣點。 bode(a,b,c,d,iu)：可得到從系統第iu個輸入到所有輸出的波特圖。 bode(num,den)：可繪
11、制出以連續(xù)時間多項式傳遞函數表示的系統的波特圖。 bode(a,b,c,d,iu,w)或bode(num,den,w)：可利用指定的角頻率矢量繪制出系統的波特圖。 當帶輸出變量mag,pha,w或mag,pha引用函數時，可得到系統波特圖相應的幅值mag、相角pha及角頻率點w矢量或只是返回幅值與相角。相角以度為單位，幅值可轉換為分貝單位：magdb=20log10(mag),2、奈奎斯特圖（幅相頻率特性圖） exp4_11.m exp4_11_.m,對于頻率特性函數G(jw)，給出w從負無窮到正無窮的一系列數值，分別求出Im(G(jw))和Re(G(jw))。以Re(G(jw)) 為橫坐標，
12、 Im(G(jw)) 為縱坐標繪制成為極坐標頻率特性圖。,MATLAB提供了函數nyquist()來繪制系統的極坐標圖，其用法如下：,nyquist(a,b,c,d)：繪制出系統的一組Nyquist曲線，每條曲線相應于連續(xù)狀態(tài)空間系統a,b,c,d的輸入/輸出組合對。其中頻率范圍由函數自動選取，而且在響應快速變化的位置會自動采用更多取樣點。 nyquist(a,b,c,d,iu)：可得到從系統第iu個輸入到所有輸出的極坐標圖。 nyquist(num,den)：可繪制出以連續(xù)時間多項式傳遞函數表示的系統的極坐標圖。 nyquist(a,b,c,d,iu,w)或nyquist(num,den,w
13、)：可利用指定的角頻率矢量繪制出系統的極坐標圖。 當不帶返回參數時，直接在屏幕上繪制出系統的極坐標圖（圖上用箭頭表示w的變化方向，負無窮到正無窮） 。當帶輸出變量re,im,w引用函數時，可得到系統頻率特性函數的實部re和虛部im及角頻率點w矢量（為正的部分）。可以用plot(re,im)繪制出對應w從負無窮到零變化的部分。,二、常用頻域分析函數,MATLAB除了提供前面介紹的基本頻域分析函數外，還提供了大量在工程實際中廣泛應用的庫函數，由這些函數可以求得系統的各種頻率響應曲線和 特征值。如：,margin：求幅值裕度和相角裕度及對應的轉折頻率 freqs：模擬濾波器特性 nichols：求連
14、續(xù)系統的尼科爾斯頻率響應曲線（即對數幅相曲線） ngrid：尼科爾斯方格圖,margin()函數 exp4_12.m exp4_12_.m,margin函數可以從頻率響應數據中計算出幅值裕度、相角裕度以及對應的頻率。幅值裕度和相角裕度是針對開環(huán)SISO系統而言，它指示出系統閉環(huán)時的相對穩(wěn)定性。當不帶輸出變量引用時，margin可在當前圖形窗口中繪制出帶有裕量及相應頻率顯示的Bode圖，其中幅值裕度以分貝為單位。,幅值裕度是在相角為-180度處使開環(huán)增益為1的增益量，如在-180度相頻處的開環(huán)增益為g，則幅值裕度為1/g；若用分貝值表示幅值裕度，則等于：-20*log10(g)。類似地，相角裕
15、度是當開環(huán)增益為1.0時，相應的相角與180度角的和。 margin(mag,phase,w)：由bode指令得到的幅值mag（不是以dB為單位） 、相角phase及角頻率w矢量繪制出帶有裕量及相應頻率顯示的bode圖。 margin(num,den) ：可計算出連續(xù)系統傳遞函數表示的幅值裕度和相角裕度并繪制相應波特圖。類似，margin(a,b,c,d)可以計算出連續(xù)狀態(tài)空間系統表示的幅值裕度和相角裕度并繪制相應波特圖。 gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)：由幅值mag（不是以dB為單位） 、相角phase及角頻率w矢量計算出系統幅值裕度和相角裕度及相應的相角
16、交界頻率wcg、截止頻率wcp，而不直接繪出Bode圖曲線。,freqs()函數 exp4_13.m,freqs用于計算由矢量a和b構成的模擬濾波器H(s)=B(s)/A(s)的幅頻響應。,h=freqs(b,a,w)用于計算模擬濾波器的幅頻響應，其中實矢量w用于指定頻率值，返回值h為一個復數行向量，要得到幅值必須對它取絕對值，即求模。 h,w=freqs(b,a)自動設定200個頻率點來計算頻率響應，這200個頻率值記錄在w中。 h,w=freqs(b,a,n)設定n個頻率點計算頻率響應。 不帶輸出變量的freqs函數，將在當前圖形窗口中繪制出幅頻和相頻曲線，其中幅相曲線對縱坐標與橫坐標均
17、為對數分度。,三、頻域分析應用實例,Nyquist曲線是根據開環(huán)頻率特性在復平面上繪出的幅相軌跡，根據開環(huán)的Nyquist曲線，可以判斷閉環(huán)系統的穩(wěn)定性。 系統穩(wěn)定的充要條件為：Nyquist曲線按逆時針包圍臨界點(-1,j0)的圈數R ，等于開環(huán)傳遞函數位于s右半平面的極點數P，否則閉環(huán)系統不穩(wěn)定，閉環(huán)正實部特征根個數Z=P-R。若剛好過臨界點，則系統臨界穩(wěn)定。,Pade函數可以近似表示延時環(huán)節(jié)e(-st)，它的調用格式為： (num,den)=pade(t,n)，產生最佳逼近時延t秒的n階傳遞函數形式。(a,b,c,d)=pade(t,n)，則產生的是n階SISO的狀態(tài)空間模型。,第四節(jié)
18、控制系統的根軌跡分析,所謂根軌跡是指，當開環(huán)系統某一參數從零變到無窮大時，閉環(huán)系統特征方程的根在s平面上的軌跡。一般來說，這一參數選作開環(huán)系統的增益K，而在無零極點對消時，閉環(huán)系統特征方程的根就是閉環(huán)傳遞函數的極點。 根軌跡分析方法是分析和設計線性定?？刂葡到y的圖解方法，使用十分簡便。利用它可以對系統進行各種性能分析，例exp4_18.m,一、根軌跡分析方法的概念,（1）穩(wěn)定性 當開環(huán)增益K從零到無窮大變化時，圖中的根軌跡不會越過虛軸進入右半s平面，因此這個系統對所有的K值都是穩(wěn)定的。如果根軌跡越過虛軸進入右半s平面，則其交點的K值就是臨界穩(wěn)定開環(huán)增益。 （2）穩(wěn)態(tài)性能 開環(huán)系統在坐標原點有一
19、個極點，因此根軌跡上的K值就是靜態(tài)速度誤差系數，如果給定系統的穩(wěn)態(tài)誤差要求，則可由根軌跡確定閉環(huán)極點容許的范圍。 （3）動態(tài)性能 當00.5時，閉環(huán)極點為復數極點，系統為欠阻尼系統，單位階躍響應為阻尼振蕩過程，且超調量與K成正比。,二、根軌跡分析函數,通常來說，繪制系統的根軌跡是很繁瑣的事情，因此在教科書中介紹的是一種按照一定規(guī)則進行繪制的概略根軌跡。在MATLAB中，專門提供了繪制根軌跡的有關函數。,pzmap：繪制線性系統的零極點圖 rlocus：求系統根軌跡。 rlocfind：計算給定一組根的根軌跡增益。 sgrid：在連續(xù)系統根軌跡圖和零極點圖中繪制出阻尼系數和自然頻率柵格。,1、零
20、極點圖繪制 exp4_19.m,MATLAB提供了函數pzmap()來繪制系統的零極點圖，其用法如下：,p,z=pzmap(a,b,c,d)：返回狀態(tài)空間描述系統的極點矢量和零點矢量，而不在屏幕上繪制出零極點圖。 p,z=pzmap(num,den)：返回傳遞函數描述系統的極點矢量和零點矢量，而不在屏幕上繪制出零極點圖。 pzmap(a,b,c,d)或pzmap(num,den)：不帶輸出參數項，則直接在s復平面上繪制出系統對應的零極點位置，極點用表示，零點用o表示。 pzmap(p,z)：根據系統已知的零極點列向量或行向量直接在s復平面上繪制出對應的零極點位置，極點用表示，零點用o表示。,2
21、、根軌跡圖繪制 exp4_20.m,MATLAB提供了函數rlocus()來繪制系統的根軌跡圖，其用法如下：,rlocus(a,b,c,d)或者rlocus(num,den)：根據SISO開環(huán)系統的狀態(tài)空間描述模型和傳遞函數模型，直接在屏幕上繪制出系統的根軌跡圖。開環(huán)增益的值從零到無窮大變化。 rlocus(a,b,c,d,k)或rlocus(num,den,k)： 通過指定開環(huán)增益k的變化范圍來繪制系統的根軌跡圖。 r=rlocus(num,den,k) 或者r,k=rlocus(num,den) ：不在屏幕上直接繪出系統的根軌跡圖，而根據開環(huán)增益變化矢量k ，返回閉環(huán)系統特征方程1k*nu
22、m(s)/den(s)=0的根r，它有l(wèi)ength(k)行，length(den)-1列，每行對應某個k值時的所有閉環(huán)極點?；蛘咄瑫r返回k與r。 若給出傳遞函數描述系統的分子項num為負，則利用rlocus函數繪制的是系統的零度根軌跡。（正反饋系統或非最小相位系統）,3、rlocfind()函數,MATLAB提供了函數rlocfind()來找出給定的一組根（閉環(huán)極點）對應的根軌跡增益。其用法如下：,k,p=rlocfind(a,b,c,d)或者k,p=rlocfind(num,den) 它要求在屏幕上先已經繪制好有關的根軌跡圖。然后，此命令將產生一個光標以用來選擇希望的閉環(huán)極點。命令執(zhí)行結果：
23、k為對應選擇點處根軌跡開環(huán)增益；p為此點處的系統閉環(huán)特征根。 不帶輸出參數項k,p時，同樣可以執(zhí)行，只是此時只將k的值返回到缺省變量ans中。,4、sgrid()函數,sgrid：在現存的屏幕根軌跡或零極點圖上繪制出自然振蕩頻率wn、阻尼比矢量z對應的格線。 sgrid(new)：是先清屏，再畫格線。 sgrid(z,wn)：則繪制由用戶指定的阻尼比矢量z、自然振蕩頻率wn的格線。,三、根軌跡分析應用實例,例exp4_23.m,例exp4_24.m,控制系統的分析是進行控制系統設計的基礎，同時也是工程實際當中解決問題的主要方法，因而對控制系統的分析在控制系統仿真中具有舉足輕重的作用。 通過求取系統的零極點增益模型直接獲得系統的零極點，從而可以直接對控制系統的穩(wěn)定性及是否為最小相位系統作出判斷。 控制系統的經典分析方法（時域、頻域分析）是目前控制系統界進行科學研究的主要方法，是進行控制系統設計的基礎，要求熟練掌握單位階躍響應、波特圖等常用命令的使用。 根軌跡分析是求解閉環(huán)特征方程根的簡單的圖解方法，要求熟練掌握根軌跡的繪制。,本章小結,
計算機仿真第四章控制系統的分析方法
