第十三章 控制系统工具箱
一种智能工具箱的控制系统[发明专利]
![一种智能工具箱的控制系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0253f5eaac51f01dc281e53a580216fc700a5339.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711022238.4(22)申请日 2017.10.27(71)申请人 贵州医科大学地址 550001 贵州省贵阳市云岩区北京路9号贵州医科大学(72)发明人 汪家文 黄江 王杰 夏冰 万昌武 刘芳 (74)专利代理机构 北京酷爱智慧知识产权代理有限公司 11514代理人 安娜(51)Int.Cl.G05B 19/042(2006.01)G01G 19/52(2006.01)G01D 21/02(2006.01)A61L 2/10(2006.01)(54)发明名称一种智能工具箱的控制系统(57)摘要本发明公开了一种智能工具箱的控制系统，所述控制系统包括：主控模块，工具检测模块，自动开关抽屉模块，消毒模块，电源模块；主控模块分别与工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块连接，所述电源模块分别与主控模块、工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块。
本发明可以实现抽屉的自动打开和关闭，自动检测每一个工具或器械的归位情况，并能够自动消毒对工具箱进行消毒。
权利要求书1页 说明书5页 附图13页CN 107656480 A 2018.02.02C N 107656480A1.一种智能工具箱的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：主控模块，工具检测模块，自动开关抽屉模块，消毒模块，电源模块；主控模块分别与工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块连接，所述电源模块分别与主控模块、工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块；所述主控模块，用于对工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块进行数据采集和控制；所述工具检测模块，用于检测工具的归位情况；所述自动开关抽屉模块，用于实现抽屉的自动开关，并指示抽屉的动作和状态；所述消毒模块，用于在抽屉关闭后对工具箱进行消毒；所述电源模块，用于为主控模块、工具检测模块、自动开关抽屉模块、消毒模块供电。
matlab各种应用工具箱参考
2021/3/10
讲解：XX
11
二、通用工具箱
• Matlab主工具箱
• 前面课程所介绍的数值计算、符号运算、 绘图以及句柄绘图都是matlab主工具箱 的内容，是matlab的基本部分，也是我 们课程的重点。
• Matlab主工具箱位于：
c:\matlab\toolbox\matlab
• matlab主工具箱是任何版本的matlab都
simulink 的一般结构：
输入
系统
输出
2021/3/10
讲解：XX
27
仿真原理
• 当在框图视窗中进行仿真的同时，matlab 实际上是运行保存于simulink内存中s函数 的映象文件，而不是解释运行该m文件。
• s函数并不是标准m文件，它m文件的一种 特殊形式。
结构图创建方法
• 一个动态系统的创建过程，就是一个方框 图的绘制过程
rose - Angle histogram plot.
compass - Compass plot.
feather - Feather plot.
fplot - Plot function.
comet - Comet-like trajectory.
2021/3/10
讲解：XX
17
Graph annotation. title - Graph title. xlabel - X-axis label. ylabel - Y-axis label. text - Text annotation. gtext - Mouse placement of text. grid - Grid lines.
高阶谱分析工具箱
2021/3/10
控制系统校正工具
控制系统校正工具在现代工业中，控制系统是保证生产运行正常的重要组成部分。
然而，由于各种因素的干扰，控制系统难免会出现误差，因此需要进行校正以提高系统的准确性和稳定性。
为了解决这个问题，各种控制系统校正工具应运而生。
一、什么是控制系统校正工具？控制系统校正工具是为了确保控制系统运行准确和稳定而设计的设备或软件。
它可以对控制系统的传感器、执行器和控制器进行校准和调整，以确保其输出与期望值相匹配。
控制系统校正工具通常包括以下几个方面的内容：1. 传感器校正工具：用于调整传感器的灵敏度、补偿温度漂移和消除误差，确保传感器输出准确可靠。
2. 执行器校正工具：用于校准执行器的控制范围、响应速度和动作精度，提高执行器的控制精度和工作效率。
3. 控制器校正工具：用于调整控制器的参数和工作模式，优化控制系统的稳定性和响应速度。
二、控制系统校正工具的应用领域控制系统校正工具广泛应用于各个领域，涵盖了许多不同的行业和应用场景。
以下是几个主要的应用领域：1. 工业自动化：在生产线、工厂或仪表控制系统中，控制系统校正工具可以帮助工程师对各种传感器和执行器进行准确校准，确保生产过程的稳定性和产品质量的一致性。
2. 医疗设备：在医疗器械和医疗仪器中，控制系统校正工具可以用于校准血压计、体温计等传感器设备，确保医疗数据的准确性，提高医疗诊断和治疗的效果。
3. 能源管理：在能源管理系统中，控制系统校正工具可以用于校准压力传感器、流量计等仪表设备，确保能源流程的稳定和测量数据的可靠性，提高能源利用效率。
4. 航空航天：在飞行控制系统中，控制系统校正工具可以对飞行器的姿态传感器和推力调节系统进行校准，确保飞行器的安全稳定。
三、控制系统校正工具的优势和挑战控制系统校正工具的使用具有很多优势，带来了诸多便利：1. 提高准确性：通过校准工具对控制系统进行校正，可以大大提高系统的准确性和精度，确保输出结果与期望值尽可能一致。
2. 保证稳定性：校准工具可以对控制系统的参数和工作模式进行调整，从而提高系统的稳定性和响应速度，减少误差和振荡。
利用rltool工具进行控制系统设计
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ
ＭＡＴ ＡＢ Ｌ
Ｒｏ ｔ Ｉ ｃ ｓ ｏ ． ｕ Ｍｅ ｏ ￣ ｈ ｔｄ
Ｇｒ ｐ ｉ ａ Ｕｓ ｒ Ｉ ｔ ｒ ｃ Ｒｈｏ ｌ Ｃｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｓｇ ａ ｈｃ ｌ ｅ ｎｅｆ ｅ ａ ｏ ｎ ｒ ｌ Ｓ ｓｅ Ｄｅ ｉ ｎ
控 制 系统 工 具 箱
下角 的按钮 可 以切换 正／ 反 馈 。 佰
版 本 （ 应 于 ＭＡ Ｌ Ｂ ． 本 ）中 提 供 了 一 个 基 于 根 轨 对 Ｔ ￣ ５２版 迹 的 系 统 设 计 工 具 ｄｏｌ 该 工 具 为 控 制 系 统 的 设 计 提 供 了 ｔ ，
～
个 交 互 式环 境 。它 采 用 图形 用 户 界 面 ， 引入 对 象 的 模 型
器 的零 点 ； 四个 按钮 为 删 除补 偿 器 的零 极 点 。 第 增 益 编 辑 框 （ ａ ） 许 用 户 改 变 设 定 点 （ 制 区 中的 Ｇｉ 允 ｎ 绘
小 方 块 ）的 增 益 值 ， 而 改 变 闭 环 系 统 的 极 点 位 置 。 从
绘 制 区 用 于显 示 系 统 的根 轨 迹 ， 若选 中栅 格框 （ ｉ ） Ｇｒ ｄ 将 出 现 等 阻 尼 比 、 无 阻 尼 自然 频 率 的栅 格 线 ， 可 以绘 等 还 制 出希 望 闭环 极 点 区域 的边 界线 。绘 制 区 中的 小方 块代 表
增 益 编 辑 框 的 增 益 值 所 对 应 的 闭 环 极 点 ，ｘ 代 表 开 环 极 ” 点 ，ｏ代 表 开 环 零 点 。
坐 标 轴 设 置 区 （ ｘ ｓ ｓｔｎ ｓ Ａ ｅ ｔ ｇ ）用 于 存诹 根 轨 迹 图 的 ｅ ｉ 坐标 范 围和切 换 正 方彤伥 方形 ｔ ｌｓｓ ｍ ｏ ｌｏ ） ． ｃｎｒ ｙｔ ｔ ｂ ｘ ４ １及 以上 ｏ ｅ
自动控制原理目录模板
自动控制原理目录模板前言
1. 简介
2. 目的与意义
第一章自动控制系统基础
1. 传感器与执行器
1.1 传感器概述
1.2 执行器概述
2. 控制系统的要素
2.1 反馈控制与前馈控制
2.2 控制误差与修正
3. 自动控制系统的分类
3.1 开环控制系统
3.2 闭环控制系统
3.3 连续控制系统与离散控制系统
第二章自动控制原理
1. 控制算法
1.1 比例控制算法
1.2 比例-积分控制算法
1.3 比例-微分控制算法
1.4 PID控制算法
2. 系统建模
2.1 传递函数模型
2.2 状态空间模型
2.3 信号流图
3. 控制器设计
3.1 根轨迹法
3.2 频域法
3.3 状态空间法
第三章自动控制系统应用
1. 温度控制系统
1.1 温度传感器介绍
1.2 温度控制器选择与参数调节方法
2. 液位控制系统
2.1 液位测量方法
2.2 液位控制器选择与参数调节方法
3. 速度控制系统
3.1 速度传感器介绍
3.2 速度控制器选择与参数调节方法
结论
1. 自动控制原理的重要性
2. 对自动控制系统应用的总结
参考文献
附录
1. 传感器与执行器的详细说明
2. 控制系统的数学模型推导
3. 控制器设计案例分析
以上是根据题目"自动控制原理目录模板"编写的目录，根据此目录模板可以细化撰写文章的各个章节内容。
控制系统工具箱简介
SISO设计工具
在命令空间中输入sisotool既可进入SISO补 偿设计窗口，也可直接指定设计对象，调用形式 为sisotool(sys)。
该工具允许使用 根轨迹、波特图、尼 科尔斯图等手段进行 系统补偿设计。同时 可对系统进行阶跃响 应等各种LTI分析。
SISO设计工具的使用
导入系统数据：包括系统结构及相应模型
二、控制系统工具箱使用
控制系统工具箱用于完成一般控制系统工程设计是， 主要内容包括以下三个方面：
模型建立：描述如何建立线性模型、模型连接， 确定模型特征，离散时间模型和连续时间模型之间的转 换，模型的降阶处理。
模型分析：图形化用户界面（GUI）的设计工 具—LTI Viewer，使得观察系统响应变得非常简单。
通过 ltidemo 分别 执行模型建立、离散时 间模型、访问模型数据、 模型连接、模型类型转 换、连续／离散转换等 演示。熟悉工具箱中函 数用法。
图形化的模型分析工具LTI Viewer
LTI Viewer 可以对系统进行阶跃响应、脉冲响应、 波特图、奈奎斯特图等的分析，同时还可以直接从 SIMULINK环境下的结构图中指定输入输出点所产生 的系统进行分析。
一、MATLAB工具箱的简介
功能型工具箱：主要用来扩充MATLAB的符号计 算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件 实时交互功能，可用于多种学科中；
领域型工具箱：是专业性很强的工具箱，如控制 系统工具箱、信号处理工具箱、神经网络工具箱等。
注意：在每个工具箱中有一个Contents文件，在文 件中将该工具箱里的所有函数其作用功能一一列出，可 以在使用前先看此文件，找到要用的函数后，在命令空 间里键入help 文件名，即可查到相应函数的调用格式。
控制设计工具箱
控制设计工具箱
佚名
【期刊名称】《《现代制造》》
【年(卷),期】2009(000)029
【摘要】MLS风轮机控制设计（WTCD）工具箱是一套建立在MATLAB基础上的软件开发和分析工具组。
其包含多种建模，设计和分析工具，旨在帮助工程师迅速处理所有和控制设计、控制器的性能评价和载荷计算相关的任务。
【总页数】1页(P41)
【正文语种】中文
【中图分类】TP317.4
【相关文献】
1.MATLAB 的数据采集工具箱--一种与硬件设备通讯的新工具箱 [J], 法林;陈文辉;董大群
2.MATLAB工具箱Sisotool工具箱在控制系统补偿器中的应用 [J], 王晓东;张岳
3.MATLAB下GA工具箱和ANN工具箱联合使用的实现技术 [J], 申伟科;钟理;李伍举
4.系统维护工具箱——魔豆精灵眩光工具箱 [J],
5.NI LabVIEW 新添控制设计和仿真工具套件——新型交互式控制设计工具包为开发实时控制系统提供解决方案 [J],
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ControlSystemToolbox（控制系统工具箱）
Control System Toolbox设计和分析控制系统产品概览1:56Control System Toolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
您可以将您的系统指定为传递函数、状态空间、零极点增益或频率响应模型。
通过交互式工具和命令行函数（如阶跃响应图和波特图），您可以实现时域和频域中系统行为的可视化效果。
可以使用自动PID 控制器调节、波特回路整形、根轨迹方法、LQR/LQG 设计及其他交互式和自动化方法来调节补偿器参数。
您可以通过校验上升时间、超调量、稳定时间、增益和相位裕度及其他要求来验证您的设计。
Control System ToolboxDesign and analyze control systemsProduct Overview1:56Control System Toolbox™ provides industry-standard algorithms and tools for systematically analyzing, designing, and tuning linear control systems. You can specify your system as a transfer function, state-space, pole-zero-gain, or frequency-response model. Interactive tools and command-line functions, such as step response plot and Bode plot, let you visualize system behavior in time domain and frequency domain. You can tune compensator parameters using automatic PID controller tuning, Bode loop shaping, root locus method, LQR/LQG design, and other interactive and automated techniques. You can validate your design by verifying rise time, overshoot, settling time, gain and phase margins, and other requirements.简介Control System Toolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
10基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计
数学模型参数的获取
函数名 称 tfdata
ssdata
使用方法
[num,den]=tfdata(sys) [num,den]=tfdata(sys,’v’) [num,den,Ts]=tfdata(sys) [a,b,c,d]=ssdata(sys) [a,b,c,d,Ts]=ssdata(sys)
基于MATLAB工具箱的 控制系统分析与设计
10.1 控制系统工具箱简介
1 系统建模
离散、连续；状态空间、传递函数、零极点增益；串联、并 联、反馈连接；离散化采样
2 系统分析
可控、可观矩阵、传递零点、Lyapunov方程；稳定裕度、阻 尼系数、根轨迹增益选择等；可控、可观测标准型实现、系 统的最小实现、均衡实现、降阶实现；单位阶跃、单位脉冲、 零输入响应；Bode图、Nichols图、Nyquist图；LTI viewer
sys=zpk(z,p,k,Ts,’property1’,value1,...,’propertyN’ ,valueN)生成离散时间系统的零极点增益模型sys
sys=zpk(‘s’) 指定零极点增益模型以拉氏变换 算子s为自变量
sys=zpk(‘z’,Ts) 指定零极点增益模型以Z变换 算子z为自变量，Ts为采样周期
3 系统设计
LQG线性二次型设计、线性系统的根轨迹和频率法设计、线 性系统的极点配置、线性系统观测器设计
单输入单输出线性系统设计器(SISO Design Tool)
10.2 线性时不变系统的对象模型
10.2.1 LTI对象
tf对象：传递函数 zpk对象：零极点 ss对象：状态空间 模型共有属性 模型特有属性
Matlab与控制系统设计 3
3．4 最常用的分析及设计函数（续4） ． 最常用的分析及设计函数（ ）
rlocus(sys1); 则可得图3－4－7所示的系统闭环根轨迹图。
12
图3－4－1
返回
13
图4－2
返回
14
图3－4－3
返回
15
图3－4－4
返回
16
图3－4－5
返回
17
图3－4－6
返回
18
图3－4－7
返回
6
• sysc =d2c(sysd,method)
3．4 最常用的分析及设计函数 ．
1．求解系统的单位阶跃和单位脉冲响应 ． MATLAB控制系统工具箱提供了一条求解系统单位阶跃响 应的函数step()，其基本调用格式是： STEP(SYS1, SYS2, SYSn, …，T) 该函数不关心系统阶跃响应的具体数值，仅仅在一张图上绘制 从系统SYS1到系统SYSn的阶跃响应曲线，T是t0:tspan:tfinal格式 的时间向量。例如，假定系统为
3
3．2 系统建模（续2） ． 系统建模（ ）
（2）传递函数模型 传递函数一般记为：
bm s m + bm −1s m −1 + L + b1s + b0 G( s) = n n −1 an s + an −1s + L + a1s + a0
传递函数表示分别使用分子、分母的多项式表示，即n和m两 个向量，多项式向量使用将降幂排列的列矢。其中向量中不存在 的系统阶次使用0填充。其格式为 Sys= tf (NUM, DEN ) 例如在MATLAB或M文件中可输入： NUM=[bm bm-1 …b1 b0]; DEN=[an an-1 …a1 a0]; Sys= tf (NUM, DEN )
Matlab控制系统仿真工具箱的高级应用指南
Matlab控制系统仿真工具箱的高级应用指南控制系统是现代工程中的关键部分之一，它用于设计和优化各种机械、电子和工业过程的自动化系统。
为了开发、分析和验证这些控制系统，Matlab提供了一个功能强大且灵活的控制系统仿真工具箱。
本文将介绍Matlab控制系统仿真工具箱的高级应用，并探讨如何使用这些工具进行系统建模、控制器设计和性能评估。
一、系统建模在使用Matlab控制系统仿真工具箱之前，我们需要先建立一个准确的系统模型。
系统建模是指将实际系统的物理过程和数学方程转化为Matlab可以处理的形式。
在建模过程中，我们需要确定系统的输入、输出和参数，以及系统动态方程的形式。
Matlab提供了多种建模方法，包括传递函数、状态空间和零极点等。
其中，传递函数是最常用的建模方法，特别适用于线性系统。
如果系统较为复杂或包含非线性元素，可以使用状态空间建模方法。
二、控制器设计在建立了系统模型之后，我们可以进行控制器的设计。
控制器是用来改变系统的输入信号以实现所需系统响应的装置。
在Matlab控制系统仿真工具箱中，有多种控制器设计方法可供选择。
最常用的控制器设计方法之一是PID控制器。
PID控制器由比例、积分和微分三个分量组成，可以实现系统的快速响应和准确跟踪。
在Matlab中，我们可以使用pidtune函数来自动调整PID控制器的参数，以满足系统的性能要求。
除了PID控制器，Matlab还提供了其他高级控制器设计方法，如模糊控制、自适应控制和预测控制等。
这些方法在处理非线性系统、时变系统或多变量系统时特别有效。
三、系统性能评估完成控制器设计后，我们需要对系统的性能进行评估。
系统性能评估是为了验证控制器设计是否达到了预期的目标。
在Matlab控制系统仿真工具箱中，有多种评估性能的方法可供选择。
最常用的性能指标之一是系统的稳态误差。
稳态误差是指系统在无穷大时间后与期望输出之间的差距。
Matlab提供了step函数来绘制系统的阶跃响应，并计算稳态误差。
控制系统工具箱
八．控制系统工具箱系统常用的数学模型有：传递函数模型，状态方程模型，零极点增益模型，部分分式模型；（1） 传递函数描述系统在MATLAB 中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来，这两个向量分别用num 和den 表示。
num=[b1,b2,…,bm,bm+1]den=[a1,a2,…,an,an+1]调用格式：G=tf(num,den)注意：它们都是按s 的降幂进行排列的。
num=[12,24,0,20];den=[2 4 6 2 2];G=tf(num,den)num=4*conv([1,2],conv([1,6,6],[1,6,6]));den=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,1],conv([1,1],[1,3,2,5]))));G=tf(num,den)(1)G.variable='p'Transfer function:4 p^5 + 56 p^4 + 288 p^3 + 672 p^2 + 720 p + 288-----------------------------------------------------p^7 + 6 p^6 + 14 p^5 + 21 p^4 + 24 p^3 + 17 p^2 + 5 pG.td=0.5Transfer function:4 p^5 + 56 p^4 + 288 p^3 + 672 p^2 + 720 p + 288exp(-0.5*p) * -----------------------------------------------------p^7 + 6 p^6 + 14 p^5 + 21 p^4 + 24 p^3 + 17 p^2 + 5 p(2)G=tf(num,den,'inputdelay',0.5)Transfer function:4 s^5 + 56 s^4 + 288 s^3 + 672 s^2 + 720 s + 288exp(-0.5*s) * -----------------------------------------------------s^7 + 6 s^6 + 14 s^5 + 21 s^4 + 24 s^3 + 17 s^2 + 5 s(3)set(G,'variable','s','Td',0.7)get(G)num: {[0 0 4 56 288 672 720 288]}den: {[1 6 14 21 24 17 5 0]}ioDelay: 0Variable: 's'Ts: 0InputDelay: 0.7OutputDelay: 0InputName: {''}22642202412)(23423++++++=s s s s s s s G )523()1()66)(2(4)(23322+++++++=s s s s s s s s s GOutputName: {''}InputGroup: [1x1 struct]OutputGroup: [1x1 struct]Name: ''Notes: {}UserData: [](2)零极点增益模型调用格式 G=zpk(z,p,k);结果是零极点形式的；函数tf2zp()可以用来求传递函数的零极点和增益:[z,p,k] = tf2zp(num,den)例 求零极点增益模型num=[1 11 30];den=[1 9 45 87 50];[z, p,k]=tf2zp(num,den);G=zpk(z,p,k)(3)部分分式展开 实际就是对residue 的应用 例 将tf 转化为部分分式的形式num=[2 0 9 1];den=[1 1 4 4 ];[r p k]=residue(num,den);[num den]=residue(r,p,k)num =2.0000 -0.0000 9.0000 1.0000den =1.0000 1.0000 4.0000 4.0000(4)状态空间描述B 的列数为输入的个数，C 的行数为输出的个数；D 的维数为C 的行*B 的列数 G=ss （A,B,C,D ）; 例 可以看出： >> A=[1 6 9 10;3 12 6 8;4 7 9 11;5 12 13 14]; >> B=[4 6; 2 4; 2 2;1 0];>> C=[0 0 2 1;8 0 2 2]; >> D=zeros(2); >> G=ss(A,B,C,D)a =x1 x2 x3 x4x1 1 6 9 10x2 3 12 6 8x3 4 7 9 11x4 5 12 13 1450874593011)(23423++++++=s s s s s s s s G 44192)(233+++++=s s s s s s G DuCx y Bu Ax x+=+= x y u x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=22081200012242641413125119748612310961b =u1 u2x1 4 6x2 2 4x3 2 2x4 1 0c =x1 x2 x3 x4y1 0 0 2 1y2 8 0 2 2d =u1 u2y1 0 0y2 0 0Continuous-time model.>> G=tf(G) 得到四个传递函数；分别为11；12；21；21(5)模型之间的相互转换模型转换的函数包括：residue ：传递函数模型与部分分式模型互换ss2tf ： 状态空间模型转换为传递函数模型ss2zp ： 状态空间模型转换为零极点增益模型tf2ss ： 传递函数模型转换为状态空间模型tf2zp ： 传递函数模型转换为零极点增益模型zp2ss ： 零极点增益模型转换为状态空间模型zp2tf ： 零极点增益模型转换为传递函数模型也就是tf ss zpk 之间可以相互转化；举例说明：1. 状态空间模型：(单输入，单输出) A=[0 1;1 -2];B=[0;1];C=[1 3];D=1; G=ss(A,B,C ,D); [num,den]=ss2tf(A,B,C,D,[1])[Z P K]=ss2zp(A,B,C,D,[1]);2. 单入三出的模型的传递函数如下：(这里的分子和分母是矩阵)61162)(61165)(61162)()()(23231232123111++++=+++--=+++-==s s s ss s G s s s s s G s s s s u s y s Gnum=[0 0 -2;0 -1 -5 ;1 2 0];den=[ 1 6 11 6];[A B C D]=tf2ss(num,den);[]u x y u x x +=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=31102110>> g=tf(num,den)??? Error using ==> tf.tf at 239The values of the "num" and "den" properties must be rowvectors or cell arrays of row vectors, where each vectoris nonempty and containing numeric data. Type "ltipropstf" for more information.也就是tf 只能对行向量进行转化；可以直接G=ss(A,B,C,D);G=tf(G)生成多个传递函数3. 系统的零极点增益模型 )5)(2)(1()3(6)(++++=s s s s s G z=[-3];p=[-1 -2 -5];k=[6];g=zpk(z,p,k);[num,den]=zp2tf(z,p,k);[a,b,c,d]=zp2ss(z,p,k)4．模型的结构A 串联 G=G1*G2;B.并联G=G1+G1C.反馈G=feedback(G1,G2,SIGN)；5.控制系统工具箱（控制系统的分析稳定性分析，时域分析，频域分析，根轨迹分析） LTI 对象有如下三种：ss 对象；tf 对象；zpk 对象；（1） 稳定性判据；判稳及找出是否为最小相角系统 例 a=[1 2 -1 2;2 6 3 0;4 7 -8 -5;7 2 1 6]; b=[-1;0 ;0;1]; c=[-2 5 6 1]; d=[7]; [z p k]=ss2zp(a,b,c,d); Ii=find(real(p)>0) %找出右半平面的极点下标,以列向量给出pzmap(p,z); %汇出系统的零极点图2.num=[3 16 41 28 ]; den=[1 14 110 528 1494 2117 112]; [z p k]=tf2zp(num,den);pzmap(p,z)（2） 时域分析求取系统单位阶跃响应：step()求取系统的脉冲响应：impulse() 本身就可以处理多输入，多输出的问题 求系统的稳态值 ：dcgain(sys)Pole(G) zero(G) 以列向量形式返回极点和零点例101113220)(234++++=s s s s s G o 系统的开环传递函数，求单位反馈下的阶跃响应曲线。
自动控制原理教学之Matlab控制系统工具箱函数使用
自动控制原理教学之Matlab控制系统工具箱函数使用作者：陈凤祥来源：《教育教学论坛》2017年第03期摘要：论文根据一些现行自动控制原理教材中控制工具箱的使用情况，结合实际教学过程学生的疑问，完善了控制工具箱一些函数的使用方法：对tf/zpk对象属性的使用，解决了各类传递函数形式的准确显示；引入bodeplot函数，完善了非最小相位系统相频图绘制；引入sumblk/connect函数，解决了前馈+反馈系统结构的表达。
最后各类函数的使用均给出了相关示例。
关键词：自动控制；Matlab；控制系统工具箱中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0204-03Matlab的Control System Toolbox（控制系统工具箱）提供了许多用于控制系统的仿真和分析的函数与模块，这给控制系统的仿真和控制器的设计带来了极大的方便。
对于相关的命令，不少现行教材[1，2]均有说明，但仅仅利用书上给定的命令，往往是不方便的，甚至无法实现一些教材中常见控制架构的仿真和分析。
如在Matlab中：（1）如何将一给定传递函数表示成形式4（见表1），以便于Bode图手工绘制；（2）如何准确绘制非最小相位系统的Bode 图；（3）如何将前馈+反馈的系统结构互联起来。
这些都是控制理论学习过程中常见的问题，但鲜有相关教材能针对这类问题给出相关的例子或者函数介绍。
在本科教学过程中，本人时有发现一些学生期望能够利用现成的Matlab命令用于解决上述三个问题。
为此下文根据这些问题给出了相应的解决方案。
一、传递函数表示在自动控制原理教材中[1，2]，共有四种类型的传递函数表达形式（如表1所示），每种形式都是为了解决不同的控制问题所给出。
当前的教材在介绍Matlab控制系统工具箱函数时往往只介绍了传递函数形式1和形式2的表达方式，而比较重要的形式3，形式4则未曾给出，这导致很多学生还需用手工将形式2转化到形式3或4，从而感觉十分不便。
第十三章 软件开发环境
第十三章软件开发环境软件开发环境主要目标是提高软件生产率，改善软件质量和降低软件成本，而这些目标的实现只能依靠软件工具的广泛应用，所以软件工具是开发环境中最主要的组成部分。
本章内容的要点在于软件开发环境、软件工具及CASE等基本概念的了解。
13.1软件开发环境在软件工程学中，方法和工具是同一个问题的两个不同方面，方法是工具研制的先导，工具是方法的实在体现，软件工程方法的研究成果要最终实现为软件工具和系统，才能充分发挥软件工程方法在软件开发中的作用。
软件开发环境，就是围绕着软件开发的一定目标而组织在一起的相关一组软件工具的有机集合。
13.1.1软件开发环境概论1.什么是软件开发环境软件开发环境是指在计算机的基本软件的基础上，为了支持软件的开发而提供的一组工具软件系统。
一个由IEEE和ACM支持的国际工作小组提出的关于“软件开发环境”的定义是：“软件开发环境是相关的一组软件工具集合，它支持一定的软件开发方法或按照一定的软件开发模型组织而成”。
美国国防部在STARS计划中定义如下；“软件工程环境是一组方法、过程及计算机程序（计算机化的工具）的整体化构件，它支持从需求定义、程序生成直到维护的整个软件生存期”。
软件开发环境的定义可从三方面理解：(1)软件开发环境是一组相关工具的集合。
(2)这些相关工具按一定的开发方法或一定开发处理模型组织起来的。
(3)这些相关工具支持整个软件生存期的各阶段或部分阶段。
2.软件开发环境的发展在70年代，软件开发与设计方法由结构化程序设计技术（SP）向结构化设计（SD）技术发展，而后又发展了结构化分析技术的一整套的相互衔接的SA-SD的方法学。
在80年代中期与后期，主要是实时系统设计方法，以及面向对象的分析和设计方法的发展，它克服了结构化技术的缺点。
在90年代主要是进行系统集成方法和集成系统的研究，所研究的集成CSAE环境可以加快开发复杂信息系统的速度，确保用户软件开发成功，提高软件质量，降低投资成本和开发风险。
《控制系统工具箱》课件
案例一：温度控制系统
总结词
通过PID控制器实现温度稳定
详细描述
介绍如何使用控制系统工具箱中的PID控制器，对加热炉或空调系统等温度控制 系统进行建模、分析和优化，实现温度的快速稳定和精确控制。
案例二：液位控制系统
总结词
利用串级控制提高液位控制精度
详细描述
阐述如何利用控制系统工具箱构建串级液位控制系统，通过两个控制回路的协同工作，提高液位控制的稳定性和 精度，降低因扰动或参数变化对系统的影响。
未来展望
强化实时性能
随着工业自动化和实时控制要求的提高， 控制系统工具箱将进一步强化实时性能，
提高系统响应速度和稳定性。
强化人机交互
为了更好地服务于用户，控制系统工具箱 将进一步优化人机安全威胁的增加，控制系统工具 箱将更加注重安全性设计，加强数据保护 和系统防御。
解决方案
检查网络连接是否正常、账号密码是否正确、服务 器是否正常运行。
解决方案
检查安装包是否完整、操作系统版本是否兼容 、安装目录权限是否正确。
问题2
无法登录控制系统工具箱。
问题3
工具箱界面显示异常。
解决方案
尝试重启工具箱或更换浏览器/操作系统版本，检查浏 览器插件是否冲突。
04
CATALOGUE
它可以帮助工程师和科研人员更好地理解和优化控制系统，提高系统的性能和稳 定性。
03
CATALOGUE
控制系统工具箱的使用方法
控制系统工具箱的安装与配置
下载与安装
从官方网站下载控制系统工具箱的安装包，按照 提示进行安装。
配置环境
根据操作系统和软件要求，配置合适的环境变量 和运行权限。
ControlSystemToolbox控制系统工具箱
Control System Toolbox设计和分析控制系统产品概览1:56Control System Toolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
您可以将您的系统指定为传递函数、状态空间、零极点增益或频率响应模型。
通过交互式工具和命令行函数（如阶跃响应图和波特图），您可以实现时域和频域中系统行为的可视化效果。
可以使用自动PID 控制器调节、波特回路整形、根轨迹方法、LQR/LQG 设计及其他交互式和自动化方法来调节补偿器参数。
您可以通过校验上升时间、超调量、稳定时间、增益和相位裕度及其他要求来验证您的设计。
Control System ToolboxDesign and analyze control systemsProduct Overview1:56Control System Toolbox™ provides industry-standard algorithms and tools for systematically analyzing, designing, and tuning linear control systems. You can specify your system as a transfer function, state-space, pole-zero-gain, or frequency-response model. Interactive tools and command-line functions, such as step response plot and Bode plot, let you visualize system behavior in time domain and frequency domain. You can tune compensator parameters using automatic PID controller tuning, Bode loop shaping, root locus method, LQR/LQG design, and other interactive and automated techniques. You can validate your design by verifying rise time, overshoot, settling time, gain and phase margins, and other requirements.简介Control System Toolbox™为系统地分析、设计和调节线性控制系统提供行业标准算法和工具。
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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
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）。
232
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。
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
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
【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。
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。
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。
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 +
0.64
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。
【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。
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
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。
【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、ຫໍສະໝຸດ 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。
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：
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。
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。
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。