【文章內(nèi)容簡介】 狀態(tài)觀測器的反饋控制方法等?，F(xiàn)代控制理論克服了經(jīng)典控制的許多局限性，它能夠解決某些非線性和時變系統(tǒng)的控制問題，適用于多輸入多輸出反饋控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)最優(yōu)控制規(guī)律。此外，現(xiàn)代控制理論不僅能夠研究確定性的系統(tǒng)，而且可以研究隨機的過程，即包含了隨機控制 系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法。 控制系統(tǒng)理論的基本內(nèi)容 研究控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計的基礎(chǔ)知識，包括控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)定特性和動態(tài)特性，以及控制系統(tǒng)的校正與界面設(shè)計。主要內(nèi)容：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡分析、頻域分析、控制系統(tǒng)的校正、非線 性系統(tǒng)的近似分析、現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)、采樣控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計、控制系統(tǒng)的計算機輔助分析與設(shè)計等。 MATLAB 語言與控制系統(tǒng)工具箱 MATLAB 是由 MathWorks 公司于年推出的一套數(shù)值計算軟件。自推出之后，該公司不斷接收和吸取個學(xué)科領(lǐng)域權(quán) 威人士為之編寫的函數(shù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)換成 MATLAB 的工具箱。這樣，使 MATLAB 得到不斷的發(fā)展和擴充，可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解、自動控制、信號處理、圖像處理等若干個領(lǐng)域的計算和圖形顯示功能。它將不同數(shù)學(xué)分支的算法以函數(shù)的形式分 5 類成庫，使用時直接調(diào)用這些函數(shù)并賦予實際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準確。 MATLAB 軟件介紹 MATLAB 的名字由 Matrix 和 Laboratory 兩詞的前三個字母組合而成，創(chuàng)始者是時任美國新墨西哥大學(xué)計算機科學(xué)系主任的 CleveMoler 教授。于年由MathWorks 公司推出。今天 MATLAB 已成為國際上最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一，其強大的科學(xué)計算可視化功能、簡單易用的開放式可推展環(huán)境以及多達三十余個面向不同領(lǐng)域而擴展的工具箱的支持，使得 MATLAB 在許多學(xué)科領(lǐng)域成為科學(xué)計算、計算機輔助設(shè)計與分析的基礎(chǔ)工具和首選平臺。 MATLAB 主要由 MATLAB 主程序、 Simulink 動態(tài)系統(tǒng)仿真和 MATLAB 工具箱三大部分組成。其中 MATLAB 主程序包括 MATLAB 語言、工作環(huán)境、句柄圖形、數(shù)學(xué)函數(shù)庫和應(yīng)用程序接口五個部分； Simulink 是用于動態(tài)控制系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個系統(tǒng)，并能動態(tài)地控制該系統(tǒng)，目前的 Simulink 可以處理線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量及多系統(tǒng)；工具箱實際就是用 MATLAB 的基本語句編寫的各種子程序集和函數(shù)庫，用于解決某一方面的特定問題或?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法，它是開放性的，可以應(yīng)用也可以根據(jù)自己的需要進行擴展。 MATLAB 工具箱大體可分為功能性的工具箱和科學(xué)性的工具箱兩類。功能性的工具箱主要用于擴展 MATLAB 的符號計算功能、圖形建模功能、文字處理功能和硬件的時實交互過程，如符號計算 工具箱等；學(xué)科性的工具箱則有較強的專業(yè)性，用于解決特定的問題，如信號處理工具箱和通信工具箱。 MATLAB 的主要特點 [13]：（ 1）簡單易學(xué)： MATALB 是一門編程語言，其語法規(guī)則與一般的結(jié)構(gòu)化高級編程語言如 C 語言等大同小異，而且使用更方便，具有一般語言基礎(chǔ)的用戶很快就可以掌握。（ 2）代碼短小高效：由于 MATLAB 已經(jīng)將數(shù)學(xué)問題的具體算法編成了現(xiàn)成的函數(shù)，用戶只要熟悉算法的特點、適用場合、函數(shù)的調(diào)用格式和參數(shù)意義等，通過調(diào)用函數(shù)很快就可以解決問題，二不必花大量時間糾纏于具體算法的實現(xiàn)。（ 3）計算功能非常強大 ：該軟件具有強大的矩陣計算功能，利用一般的符號和函數(shù)就可以對矩陣進行加、減、乘、除運算以 6 及轉(zhuǎn)置和求逆等運算，而且可以處理稀疏矩陣等特殊的矩陣，非常適合于有限元等大型數(shù)值運算的編程。此外，此軟件現(xiàn)有的數(shù)十個工具箱，可以解決應(yīng)用中的很多數(shù)學(xué)問題。（ 4）強大的圖形繪制和處理功能：該軟件可以繪制常見的二維三維圖形，如線形圖，餅圖，散點圖，直方圖，誤差條圖，玫瑰花圖，極坐標圖等。利用有關(guān)函數(shù)，可以對三維圖形進行顏色光照材質(zhì)文理和透明性設(shè)置并進行交互處理?？茖W(xué)計算要涉及到大量的數(shù)據(jù)處理，利用圖形展示數(shù)據(jù)場得特征，能顯著提高數(shù)據(jù)處理的效率，提高對數(shù)據(jù)反饋信息的處理速度和能力。 MATLAB 提供了吩咐的科學(xué)極端可視化功能，利用它可以繪制二維三維矢量圖、等值線圖、三維表面圖、曲面圖、二維三維流線圖、三維流錐、流沙圖、流帶圖、流管圖、卷曲圖和剖面圖等，還可以進行動畫制作。基于 MATLAB 句柄圖形對象，結(jié)合繪圖工具函數(shù)，可以根據(jù)需要用 MATLAB 繪制自己的圖形。（ 5）可擴展功能：可擴展性能是該軟件的一大優(yōu)點，用戶可以自己編寫 M 文件，組成自己的工具箱，方便的解決本領(lǐng)域內(nèi)常見的計算問題。此外，利用 MATLAB 編譯器可以生成獨立的可執(zhí)行程 序，從而可以隱藏算法并避免依賴 MATLAB。 MATLAB 支持 DDE、OLE、 Activex 自動化和 COM 組件等機制，可以與同樣支持該技術(shù)的應(yīng)用程序接口。利用 COM 生成器和 Excel 生成器，可以理由給定的 M 文件盒 MEX 文件創(chuàng)建 COM 組件和 Excel 插件，從而能夠?qū)崿F(xiàn)與 VB、 VC 等程序的無縫集成。利用 Web 服務(wù)器，可以實現(xiàn) MATLAB 與網(wǎng)絡(luò)的接口。采用互操作技術(shù)，可以實現(xiàn)MATLAB 與 NET 程序的接口。利用端口 API 函數(shù)，可以實現(xiàn) MATLAB 與硬件的接口。 MATLAB 編程語言是一種面向科學(xué)與工程計算的高級語言允許按照數(shù)學(xué)習(xí)慣的方式編寫程序。由于它符合人們思維方式的編寫模式使得該語言比 Basic、C 等高級語言更容易學(xué)習(xí)和應(yīng)用 MATLAB 語言以矢量矩陣為基本的數(shù)據(jù)單元包含流程控制語句順序選擇循環(huán)條件轉(zhuǎn)移和暫停等大量的運算符豐富的函數(shù)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸入輸出以及面向?qū)ο缶幊踢@些既可以滿足簡單問題的求解，也適合于開發(fā)復(fù)雜的大型程序。 MATLAB 不僅僅是一套打包好的函數(shù)庫，同時也是一種高級的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。使用 MATLAB 能夠卓有成效地開發(fā)自己的程序。MATLAB 自身的許多函數(shù)實 際上也包括所有的工具箱函數(shù)都是用 M文件實現(xiàn)的。 MATLABA 工作環(huán)境包括變量查看器、當前路徑選擇菜單、命令歷史記錄 7 窗口、當前工作窗口、命令控制窗口、圖形處理窗口、程序編輯器、模型編輯器、GUI 編輯器和 MATLAB 附帶的大量 M 文件。 MATLAB 句柄圖形控制系統(tǒng)是 MATLAB 數(shù)據(jù)可視化的核心部分。它既包含對二維和三維數(shù)據(jù)的可視化、圖形處理、動畫制作等高層系的繪圖命令，也包含可以修改圖形局部及編制完整圖形界面的低層次繪圖命令。這些功能可使用戶創(chuàng)建富有表現(xiàn)力的彩色圖形，可視化工具包括曲面渲染、線框圖、偽彩圖、光源、三維等位線圖、圖像顯示、動畫、體積可視化等。同時 MATLAB 還提供句柄圖形機制，使用該機制可對圖形進行靈活的控制。使用 GUIDE 工具可以方便地使用句柄圖形創(chuàng)建自己的 GUI 界面。 MATLAB 擁有多種數(shù)學(xué)、統(tǒng)計及工程函數(shù) [15]，可使用戶立刻實現(xiàn)所需的強大的數(shù)學(xué)計算功能。這 些函數(shù)式由各領(lǐng)域的專家學(xué)者開發(fā)的數(shù)值計算程序，使用了安全、成熟、可靠的算法，從而保證了最大的運算速度和可靠的結(jié)果。 MATLAB內(nèi)置的強大數(shù)學(xué)函數(shù)庫既然、包含了最基本的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，如求正弦、余弦等函數(shù)，也包含了豐富的復(fù)雜函數(shù)，如矩陣特征值，矩陣求逆，傅里葉變換等函數(shù)。 MATLAB 應(yīng)用程序接口是通過 MATLAB 的 API 庫完成的， MATLAB 通過對 API 庫函數(shù)的調(diào)用可以與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù) 控制系統(tǒng)工具箱介紹 面向控制工程應(yīng)用一直是 MATLAB 的主要功能之一，早期的版本就提供。同樣，用戶也可在其他語言 中通過該接口函數(shù)庫調(diào)用 MATLAB 的程序。 MATLAB應(yīng)用程序接口中的內(nèi)容包括實時動態(tài)鏈接外部 C 或 Fortran 應(yīng)用函數(shù)，獨立 C 或Fortran 程序中調(diào)用 MATLAB 函數(shù)輸入各種 MATLAB 及其他標準格式的數(shù)據(jù)文件，創(chuàng)建圖文并貌的技術(shù)文檔，包括 MATLAB 圖形、命令，并可通過 word 輸出。了控制系統(tǒng)設(shè)計工具箱。世紀年代初的 .版推出 塊圖的控制系統(tǒng)仿真軟件 Simulink。到目前為止， MATLAB 中包含的控制工程類工具箱已超過十個。 MATLAB 所具備的強有力的計算功能和圖形表現(xiàn)，以及各種工具箱提供的豐富的專用函數(shù)，為設(shè)計研究人員避免重復(fù)繁瑣的計算和編程。 控制系統(tǒng)工具箱主要函數(shù) [16] 8 一、線性定常系統(tǒng)（ LTI）數(shù)學(xué)模型生成函數(shù) tf()：創(chuàng)建傳遞函數(shù)模型； ss()：創(chuàng)建狀態(tài)方程模型； zpk()：創(chuàng)建零極點模型； dss()：創(chuàng)建離散狀態(tài)方程模型； get()：獲取模型參數(shù)信息； set()：設(shè)置模型參數(shù)。 二、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換函數(shù) cd()：連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成離散系統(tǒng)； dc()：離散系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成連續(xù)系統(tǒng)； dd()：離散系統(tǒng)重新采樣。 三、時間響應(yīng) 函數(shù) impulse()：計算并繪制沖擊響應(yīng)； step()：計算并繪制階躍響應(yīng)。 四、頻率響應(yīng)函數(shù) bode()：計算并繪制伯德響應(yīng)； nichols()：計算耐克爾斯圖； nyquist()：計算奈奎斯特圖； pzmap()：繪制零極點圖。 五、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計圖形用戶接口 ltiview：打開定常系統(tǒng)響應(yīng)分析窗口。； sisotool：打開單輸入單輸出系統(tǒng)設(shè)計圖形用戶接口。 六、模型轉(zhuǎn)換函數(shù) tfzp()：傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)換為零極點模型； tfss()：傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程模型； sstf()：狀態(tài)方程模型轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)模型； sszp()：狀態(tài)方程模型轉(zhuǎn)換為零極點模型。 七、其他函數(shù) strnum()：將輸入字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值； 9 get(,’ string’)：讀取 MATLAB GUI 控件參數(shù)。 3 MATLAB 簡介及應(yīng)用 MATLAB GUI 用戶界面（或接口）是指：人與機器（或程序）之間交互作用的工具盒方法。如鍵盤、鼠標、跟蹤球、話筒都可成為與計算機交換信息的接口。 圖形用戶界面（ Graphical User Interfaces， GUI）則是由窗口、 光標、按鍵、菜單、文字說明等對象構(gòu)成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法選擇、激活這些圖形對象，是計算機產(chǎn)生某種動作或變化，比如實現(xiàn)計算、繪圖等。假如讀者所從事的數(shù)據(jù)分析、解方程、計算結(jié)果可視工作比較單一，那么一般不會考慮GUI 的制作。但是如果讀者想向別人提供應(yīng)用程序，想進行某種技術(shù)、方法演示，想制作一個供反復(fù)使用且操作簡單的專用工具，那么圖形用戶界面也許是最好的選擇之一。 MATLAB 為表現(xiàn)其基本功能而設(shè)計的演示程序 demo 是使用圖形界面的最好范例。 MATLAB 的用戶，在指令窗口中運行 demo 打開圖形界面后，只要用鼠標進行選擇和點擊，就可瀏覽豐富多彩的內(nèi)容。用戶圖形界面（ GUI）是程序的圖形化界面。一個好的 GUI 能夠是程序更加容易使用。它提供用戶一個常見的界面，還提供一些控件，例如，按鈕，列表框，滑塊，菜單等。用戶圖形界面應(yīng)當是易理解且操作是可以預(yù)告的，所以當用戶進行某一項操作，它知道如何去做。例如，當鼠標在一個按鈕上發(fā)生了單擊事件，用戶圖形界面初始化它的操作，并在按鈕的標簽上對這個操作進行描述。 創(chuàng)建 MATLAB 用戶圖形界面必須由三個基本元素：組件在 MATLAB GUI中的每個項目都是一個圖形 化組件。組件可以分為三類：圖形化控件（按鈕，編輯框，列表，滾動條等），靜態(tài)元素（窗口和文本字符串），菜單和坐標系。圖形化控件和靜態(tài)元素由函數(shù) uicontrol 創(chuàng)建，菜單由函數(shù) uimenu 和 uicontextmenu創(chuàng)建，坐標系經(jīng)常用于顯示圖形化數(shù)據(jù)，由函數(shù) axes 創(chuàng)建。 GUI 的每一個組件都必須安排圖像窗口中。以前，我們在畫數(shù)據(jù)圖像時，圖像窗口會被自動創(chuàng)建。但我們還可以用函數(shù) figure 來創(chuàng)建空圖像窗口，空圖像窗口經(jīng)常用于放置各種類 10 型的組件。最后，如果用戶用鼠標單擊或用鍵盤鍵入一些信息，那么程序就要有相應(yīng)的動 作。鼠標單擊或鍵入信息是一個時間，如果 MATLAB 程序運行相應(yīng)的函數(shù)，那么 MATLAB 函數(shù)肯定會有所反應(yīng)。例如，如果用戶單擊一按鈕，這個時間必然導(dǎo)致相應(yīng)的 matlab 語句執(zhí)行，這些相應(yīng)的語句被稱為回應(yīng)，只要執(zhí)行GUI 的單個圖形組件，必須有一個回應(yīng)。 圖形用戶界面設(shè)計工具的啟動 圖形用戶界面設(shè)計工具的啟動方式 .命令方式 圖形用戶界面 GUI 設(shè)計工具的啟動命令為 guide，格式為 : （ 1） guide 功能： 啟動 GUI 設(shè)計工具，并建立名字為 的圖形用戶界面。 （ 2） guide filename 功能： 啟動 GUI 設(shè)計工具，并建立名字為 的圖形用戶界面 菜單方式 在 Matlab 的主窗口中，選擇 File 菜單中的