MATLAB软件简介

控制系统数字仿真绪论.0.1仿真技术简介在实际生产过程中，对被控对象是比较复杂并且要考虑安全性、经济性，以及进行试验研究的可能性等问题时，在现场试验中不易做到，甚至根本不允许这样做的情况下对实际系统（此处系统指的是自动控制系统，此系统由四部分组成：被控对象、测量变送装置、执行器和控制器）构建物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型试验的结果应用到实际系统中去，这种方法称为模拟仿真研究，简称仿真。

仿真所遵循的基本原则是：相似原理。

依据这一原理，仿真又可分为物理仿真、数学仿真和混合仿真。

●物理仿真：需要大量的设备建造、安装、接线及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数困难、模型难以重用，且试验数据处理不方便。

但由于其具有信号连续、运算速度快、直观形象、可信度高等特点，故至今任然应用广泛。

●数学仿真：所需时间比物理仿真大大缩短，试验数据的处理也比物理仿真简单。

●混合仿真：又称物理—数学仿真，是把数学仿真、物理仿真和实体结合起来，将系统的一部分描述成数学模型，放入计算机，而其余部分则构建其物理模型或直接采用实体，组成的仿真系统。

在仿真环节中有部分实物介入的混合仿真也称为半实物仿真或搬屋里仿真。

由于数学仿真的主要工具是计算机，因此又称为“计算机仿真”。

根据被研究系统的特征计算机仿真可分为两大类：连续系统仿真：可对系统建立用微分方程或差分方程等描述的数学模型，并将其放于计算机上进行试验。

离散事件系统仿真：由某种随机事件驱动引发状态变化的系统的数学模型（非数学方程式描述，通常用流程图或网络图描述），并将他放于计算机上进行试验。

*教材主要讨论连续系统的计算机仿真计算机仿真的一般过程：1)根据仿真目的确定仿真方案；2)建立系统的数学模型；3)建立仿真模型；4)编写仿真程序；5)进行仿真试验；6)仿真结果分析。

*通常将实际系统抽象为数学模型，称为一次模型化，它涉及系统辨识技术问题，又称建模问题。

将数学模型转化为可以在计算机上运行的仿真模型，称为二次模型化，它涉及仿真编程、运行、修改等技术，又称为系统仿真技术。

0.2计算机仿真技术的发展概况硬件发展：20世纪40年代出现了模拟计算机（大都是用来设计飞机的专用计算机），20世纪50年代初出现了通用的模拟计算机，1958年出现了第一台专用的模拟/数字混合计算机（用来解决导弹轨迹计算问题），20世纪60年代初期出现了混合计算机商品。

软件发展（基本经历了5个阶段）：1)通用程序设计语言2)初级仿真语言阶段3)高级仿真语言阶段4)一体化建模与仿真环境软件5)智能化仿真软件环境0.3控制系统计算机辅助设计的主要内容及其应用计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）技术是随着计算机技术的发展应运而生的一门应用型新技术，是在仿真技术的基础上发展起来的，最早使用的CAD软件包大部分是数字仿真软件的推广。

1.控制系统CAD的主要内容根据所使用的数学工具，控制系统的分析与设计方法可分为两大类：1)变换法（频域法）变化法属经思安控制理论范畴，主要适用于但输入单输出系统。

2)状态空间法（时域法）状态空间法为现代控制理论内容，适用于多变量控制系统的分析与设计。

利用状态空间法设计控制系统的方法主要有两种：一种是最优设计方法，他包括最有控制规律的设计及状态的最优估计两个方面；另一种是基于对闭环系统的极点配置。

利用状态空间法对控制系统进行分析和设计的主要内容有：①系统的稳定性、能控性和能观测性的判断；②能控及能观测子系统的分解；③状态反馈与状态观测器的设计；④闭环系统的极点配置；⑤线性二次型最优控制规律与卡尔曼滤波器设计。

2.控制系统CAD的应用1)工业生产部门，利用他来设计实际的控制系统，不仅缩短设计周期，而且能够设计出性能较好的控制系统，从而有助于改进产品质量和提高劳动生产率。

2)研究人员，借助于CAD程序，研究人员可以很方便地对控制系统进行不同方法的分析和研究，从而不仅可以验证控制系统理论，而且可以进一步完善开发控制系统的设计方法。

3)教学，借助于控制系统给CAD程序，可以加深学生对控制系统理论的学习和理解，同时由于减少了许多繁杂的手工计算，从而可以提高学习效率。

第一章.仿真软件——MATLAB1.1MATLAB的功能特点A.MATLAB简介1967年美国Math Works公司构思并开发了“Matrix Laboratory(缩写MATLAB，即矩阵实验室)”软件包，经过不断更新和扩充于1984年推出了MATLAB的正式版。

*教材以MATLAB 7.5.0(R2007b)为基础进行叙述1)功能菜单✓File——文件操作菜单New 新建M文件、图形、建模和图形用户界面Set Path 设置工作路径Open 打开.m，.fig，.mat，.mdl，.cdr等文件Import Data 从其他文件导入数据Close Command Window 关闭命令窗口Page Setup 页面设置Preferences 设置命令窗口的属性Exit MATLAB 退出MATLAB操作界面Print 设置打印机属性Print Selection 选择打印Save Workspace As 保存工作空间数据岛相应的路径文件窗口中✓Edit——编辑菜单Undo 撤销上一步操作Redo 重新执行上一步操作Cut 剪切Copy 复制Paste 粘贴Paste to Workspace… 粘贴到工作空间Select All 全部选定Delete 删除所选对象Find 查找所需对象Find Files 查找所需文件Clear Command Window 清除命令窗口的内容Clear Workspace 清除工作区的内容Clear Command History 清除历史窗口的内容✓Debug——调试菜单Open M-Files when Debugging 调试时打开M文件Step 单步调试Clear Breakpoints in All Files 清除所有文件中的断点Step In 但不调试进入子函数Step Out 但不调试跳出子函数Continue 连续执行到下一断点Stop if Errors/Warnings 出错或报警时停止运行Exit Debug Mode 退出调试模式✓Desktop——桌面菜单Desktop Layout 桌面设计Save Layout 保存桌面设计Organize Layout 组织桌面设计Command Window 显示命令窗口Command History 显示历史窗口Command Directory 显示当前工作目录Workspace 显示工作空间Help 帮助窗口Profiler 轮廓图窗口Editor 编辑器Figures 图形编辑器Web Brower Web浏览器Array Editor 矩阵编辑器File Comparisons 文件比较Toolbar 显示/隐藏工具栏Shorcuts Toolbar 显示/隐藏快捷工具栏Unlock Command Window 命令窗口设为当前全屏活动窗口Titles 显示/隐藏标题✓Window——窗口菜单Close All Documents 关闭所有文档Command Window选定命令窗口为当前活动窗口Workspace 选定工作空间为当前活动窗口Command History选定历史窗口为当前活动窗口Command Directory选定当前工作目录为当前活动窗口2)MATLAB工作窗口①当前工作目录（Current Directoty）窗口在此窗口中，用户可设置MATLAB的当前工作目录，并展示目录中的M文件等，同时还可以对这些M文件进行编辑等操作。

②工作空间（Workspace）浏览器窗口在此窗口中，用户可查看工作空间中所有变量的类别、名称和大小，也可观察、编辑和提取这些变量。

③命令窗口（Command Window）是MATLAB的主要操作窗口，MATLAB的大部分命令都需要再此窗口中进行操作。

（命令窗口中的“>>”标志位MATLAB的命令提示符，“|”标志位输入字符提示符）*若第一次使用MATLAB，可在命令窗口中命令提示符后键入demo命令，将启动MATLAB演示程序。

④历史命令（Command History）窗口此窗口记录用户已操作过的各种命令，用户可对这些历史信息进行编辑、复制和剪切等操作。

3)开始按钮（Start）单击此按钮后出现MATLAB操作菜单，菜单上半部分选项包含MATLAB各种交互操作界面，下半部分的选项的主要功能是窗口设置、访问MATLAB公司的网页和查看帮助文件等。

1.2MATLAB的基本操作A.语言结构MATLAB语句的一般形式为：变量名=表达式变量名区分字母大小写，必须由字母开头，之后可以是字母、数字或者下划线但不能含有标点符号且不能超过19个字符。

语句中变量名可以缺省，此时返回值自动赋给默认变量名ans 。

若返回多个结果，这时等号左边的各个变量名之间用逗号隔开，且将所有变量名用“* +”括起来。

表达式看有操作符或其他字符、函数和变量名组成，可以是MATLAB允许的数学或矩阵运算，也可以是MATLAB下的函数调用。

*MATLAB中语句即可由分号结束，也可由逗号或换行号结束，但他们的含义是不同的。

若采用分号“；”结束，表示除了这一条命令外还有下一条等待输入；若采用逗号或换行号结束，表示把左边返回的内容全部显示出来。

（当然在任何时候也可输入相应的变量名查看其内容）*MATLAB命令语句是及时执行的，即每输入完一条命令，MATLAB就能对其处理并得出中间结果，完成所有语句输入也就完成了他们的执行。

MATLAB中一些常见命令：✓变量存储命令，格式为：save 文件名变量列表其他选项注：文件的扩展名为“. mat”使用此命令时将要保存到文件中的变量的变量名依次列出并以空格隔开，如：>>save mydat a b c；若要将整个工作空间中的全部变量保存至文件中，则可不写出变量列表如：>>save mydat ；若不写变量列表也不给出文件名，则此时将会把整个工作空间的所有变量全部存入到文件matlab.mat中。

采用上述保存方式，存储的文件均是按照二进制数形式进行的，得出的文件往往不可读。

如果想按照ASCII码的格式来存储数据，则可以在命令最后加上一个控制参数：-ascii (该选项将变量以单精度的ASCII码形式存入文件中去)，想获得高精度的数据，则可以使用控制参数：-ascii –double 。

✓变量提取命令load，可以从文件中把变量调出并重新装入到MATLAB得工作空间中区，该函数的调用格式与save命令相同。