第十三章 控制系统工具箱

图 13.1.1 Toolbox Preferences 对话框
图 13.1.2 Plot Configurations 对话框
2、 Edit 菜单
【Plot Configurations】—对显示窗口及显示内容进行配置，可以选择 LTI Viewer 所绘制曲线的布局以
及不同绘制区域曲线的响应类型选择，其中响应类型主要有 Step、Impulse、Bode、Nyquist、Nichols、Pole/Zero
图 13.1.3 Line Styles 对话框
图 13.1.4 Viewer Preference 对话框
13.1.3 LTI Viewer 对象模型
在利用 LTI Viewer 进行系统分析时，必须将系统模型（传递函数模型、零极点增益模型、状态空间模 型）转换为对象模型，LTI 对象有如下三种形式：
图 13.2.1 SISO Design Tool 快捷工具栏 快捷工具栏中的快捷工具图标的作用从左至右分别是：操作位置指示、添加单极点、添加单零点、添 加共轭极点、添加共轭零点、删除极点或零点、图形局部放大、水平坐标放大、垂直坐标放大、复原放大 图形、活动帮助指示。 在工作区的右上部有一系统结构图显示区，单击【FS】可以产生 4 种系统结构供用户选择，单击【+/-】 按钮可改变反馈的极性。 在工作区中有两个图形显示区：根轨迹和开环系统 Bode 图编辑区。当调入系统对象模型后，显示系 统结构图组成的系统的根轨迹图和开环系统 Bode 图。 在工作区的左上部为环节 C 传递函数显示区。
文件的形式保存在磁盘上。 【Toolbox Preferences】—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
些属性包括坐标单位、对系统指示参数的描述(如调节时间的定义、上升时间的定义等）、坐标颜色、坐标 字体大小等，Toolbox Preferences 对话框如图 13.1.1 所示。
⑴tf 对象 【调用格式】
sys=tf(num,den) 【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。 ⑵ss 对象 【调用格式】
sys=ss(a,b,c,d) 【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。 ⑶zpk 对象 【调用格式】
sys=zpk(z,p,k) 【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。
解：1、在 MATLAB 命令窗口输入
sys=tf([0.64],[1,0.8,0.64])
ltiview
图 13.1.7 Import 对话框
图 13.1.8 LTI Viewer 主窗口
进入 LTI Viewer 浏览器，单击【File】∣【Import】，进入如图 13.1.7 所示的 Import 对话框，选择在
SISO Design Tool 设计器是控制系统工具箱所提供的一个非常强大的单输入单输出线性系统设计器， 它为用户提供了非常友好的图形界面。在 SISO 设计器中，用户可以使用根轨迹法与 Bode 图法，通过修改 线性系统零点、极点以及增益等传统设计方法进行 SISO 线性系统设计。
在命令窗口输入命令 sisotool，即可进入 SISO Design Tool 主窗口。 SISO Design Tool 提供的快捷工具栏如图 13.2.1 所示。
【Characteristics】—显示重要参数点标记和标记线。根据选择曲线的不同会有
不同的设置。对时域曲线的设置主要包括上升时间、峰值时间、进入稳态时间、稳
态域标识时间等标记或标记线。对频域曲线的设置主要包括峰值响应幅度裕量点、
相交裕量点等标记或标记线。
【Grid】—显示/取消显示坐标网格。
【Normalize】—对纵坐标归一化。
【Root Locus】——显示/取消根轨迹图编辑区。 【Open-Loop Bode】—显示/取消伯德图编辑区。 【Open-Loop Nichols】—显示/取消尼柯尔斯图编辑区。 【Prefilter Bode】—显示/取消环节 F（前置滤波器环节）伯德图编辑区。 【System Data】—显示环节 G 和环节 H 的传递函数。 【Closed-Loop Poles】—显示闭环极点列表。 【Design History】—显示设计过程历史纪录。 4、 Compensators 菜单 【Edit】—根据选择对环节 C 和环节 F 进行设计或对已有的设计进行编辑（零极点的增加和删除）。 【Store/Retrieve】—保存或使用所设计的对环节 C 和环节 F，主要用于多种设计方案的比较。 【Clear】—根据选择将环节 C 和环节 F 的传递函数置为 1。 5、 Analysis 菜单 【Response to Step Command】—在弹出的图形窗口中显示系统阶跃响应曲线。 【Rejection of Step Disurbance】—在弹出的图形窗口中显示系统对阶跃扰动的抑制曲线。 【Closed-Loop Bode】—在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。 【Compensator Bode】—在弹出的图形窗口中显示环节 C 的伯德图。 【Open-Loop Nyquist】—在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。 【Other Loop Responses】—选择所希望的各类显示曲线，如图 13.2.2 所示，在各曲线显示区内， 均可以象应用 LTI Viewer 一样对各显示曲线进行操作。
在两采样点间采用线性插值，根据插值数据运动（连续）。
图 13.1.6 数据显示菜单
【Trace Mode】—根据对 x,y,xy 三种方式的选择，标记点沿着所选择的方向运动。
例 13.1.1 典型二阶系统的传递函数为
应用 LTI Viewer 对系统进行分析。
G(s)
=
s2
+
0.64 0.8s +
Baidu Nhomakorabea
0.64
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13.2.2 SISO Design Tool 命令菜单简介
1、 File 菜单 【Import】—导入系统设计对象模型。 【Export】—保存设计完成后的系统对象模型。 【Save Session】—保存设计工作环境（包括对系统的各种改动），供后续工作使用。 【Load Session】—调入设计工作环境，恢复保存时的状态。
13.1 线性时不变系统浏览器—LTI Viewer
13.1.1 LTI Viewer 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，可以利用浏览器提供的优良工具， 对各种曲线进行观察分析。
在 MATLAB 命令窗口输入命令 ltiview,即可进入 LTI Viewer 窗口。
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、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。
【SISO Tool Preference】—针对 SISO Design Tool 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、上升时间定义范围数学模型的表示方式等显示属性。 3、 View 菜单
第十三章 控制系统工具箱
控制系统工具箱是建立在MATLAB对控制工程提供的设计功能的基础上，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。
在MATLAB中，专门提供了面向系统对象模型的系统设计工具：线性时不变系统浏览器（LTI Viewer） 和单输入单输出线形系统设计工具（SISO Design Tool）。利用这些工具，可以更加方便地研究和设计系统。 控制系统工具箱允许使用经典控制理论和现代控制理论，对连续控制系统和离散控制系统进行仿真分析。
13.1.4 LTI Viewer 属性设置
⑴曲线显示区的属性设置
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无论何种窗口配置、何种显示内容，在选定的显示区域内，单击右键都会弹出如图 13.1.5 所示菜单，
可以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。
【Systems】—隐藏/显示指定对象模型的曲线。
【Full View】—使用系统提供的最大采样数显示曲线。
图 13.1.5 曲线显示菜单
【Properties】—设置曲线图的名称、坐标范围、单位、字体、颜色等属性，确定重要参数点的范围（如
上升时间等）、相位图显示范围等。与双击曲线显示窗口弹出的设置菜单一致。
⑵数据显示框的属性设置
在选定的曲线显示框中单击显示曲线，会出现活动标记点及对应的数据显示框，多处单击会多处出现。
2、 Edit 菜单 【Root Locus】—对根轨迹曲线编辑区进行设置。 【Open-Loop Bode】—对开环伯德图编辑区进行设置。 当窗口中出现前置滤波环节 F 伯德图编辑区和尼柯尔斯图编辑区后，【Edit】菜单中会出现下面两
个选项： 【Open-Loop Nichols】—对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。 【Prefilte Bode】——对环节 F 伯德图编辑区进行设置。 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/删除零极点、设置给定系统参数
等，Plot Configurations 对话框如图 13.1.2 所示。
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【Refresh Systems】—当用 Plot Configurations 命令使 LTI Viewer 窗口的显示配置发生变化后，使用此 命令会使各曲线显示区中的曲线处于最佳显示位置。
【Delete Systems】—选择删除当前窗口中的对象模型。 【Line Styles】—对显示曲线的颜色、线形、标记、坐标网格等属性进行设置，Line Styles 对话框如图 13.1.3 所示。 【Viewer Preference】—对当前窗口的坐标单位、范围、窗口颜色、字体等窗口进行设置，并且该设 置对当前 LTI Viewer 窗口内所有曲线显示有效，Viewer Preference 对话框如图 13.1.4 所示， Units 选择卡：设置图形显示时的频率、幅值以及相位的单位。 Style 选择卡：设置图形显示时的字体、颜色以及绘图网格。 Characteristics 选择卡：设置系统响应曲线的特性参数。 Parameters 选择卡：设置系统响应输出的时间变量与频率变量。
13.1.2 LTI Viewer 命令菜单及窗口设置
1、 File 菜单 【New Viewer】—建立一个新的 LTI Viewer 窗口。 【Import】—导入系统对象模型。 【Expot】—将当前 LTI Viewer 窗口中的指定系统的对象模型保存到工作空间（Workspace）或者以.mat
当指定的标记点被设置成活动状态时（默认状态），用鼠标可拖动标记点沿所在曲线运动，与之对应的数
据显示框随同运动并显示所在点的变量和函数值。在曲线或活动标记点上单击右键，会弹出如图 13.1.6 所
示菜单，可以完成对选择标记点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、下左）。
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Workspace 中的系统模型，显示如图 13.1.8 所示 LTI Viewer 窗口，从图中分析系统的上升时间 tr = 3.01s ， 峰值时间 tp = 4.55s ，超调量δ p = 16.3% 。
导入系统对象模型时，每次只能导入一个，若要导入多个模型进行比较时，可重复上述操作。 2．LTI Viewer 窗口设置 单击【Edit】∣【Plot Configurations】，选择显示 6 个窗口，并设置每个窗口响应的类型，则显示如图 13.1.9 所示的窗口。
图 13.1.9 系统响应曲线
13.2 单输入单输出系统设计工具—SISO Design Tool
13.2.1 SISO Design Tool 简介
使用 LTI Viewer 使得用户对系统的线性分析变得简单而直观，但 LTI Viewer 只是控制系统工具箱中所 提供的较为简单的工具，主要用来完成系统的分析与线性化处理，而并非系统设计。
【FontSize】—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。
【Delete】—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。Nearst—标记点被鼠标
拖动时，根据系统给出的采样点运动（运动不连续）；Linear—标记点被鼠标拖动时，