【文章內容簡介】 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)的分析和設計方法。 控制系統(tǒng)理論的基本內容 研究控制系統(tǒng)的分析與設計的基礎知識，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)的校正與界面設計。主要內容：控制系統(tǒng)的數學模型、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、采樣控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的計算機輔助分析與設計等。 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值計算軟件。自推出之后，該公司不斷接收和吸取個學科領域權 威人士為之編寫的函數和程序，并將它們轉換成 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)數值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數值解、自動控制、信號處理、圖像處理等若干個領域的計算和圖形顯示功能。它將不同數學分支的算法以函數的形式分 5 類成庫，使用時直接調用這些函數并賦予實際參數就可以解決問題，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計算機科學系主任的 CleveMoler 教授。于年由MathWorks 公司推出。今天 MATLAB 已成為國際上最優(yōu)秀的科技應用軟件之一，其強大的科學計算可視化功能、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域而擴展的工具箱的支持，使得 MATLAB 在許多學科領域成為科學計算、計算機輔助設計與分析的基礎工具和首選平臺。 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、數學函數庫和應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庫，用于解決某一方面的特定問題或實現(xiàn)某一類的新算法，它是開放性的，可以應用也可以根據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： MATALB 是一門編程語言，其語法規(guī)則與一般的結構化高級編程語言如 C 語言等大同小異，而且使用更方便，具有一般語言基礎的用戶很快就可以掌握。（ 2）代碼短小高效：由于 MATLAB 已經將數學問題的具體算法編成了現(xiàn)成的函數，用戶只要熟悉算法的特點、適用場合、函數的調用格式和參數意義等，通過調用函數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就可以對矩陣進行加、減、乘、除運算以 6 及轉置和求逆等運算，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值運算的編程。此外，此軟件現(xiàn)有的數十個工具箱，可以解決應用中的很多數學問題。（ 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。利用有關函數，可以對三維圖形進行顏色光照材質文理和透明性設置并進行交互處理。科學計算要涉及到大量的數據處理，利用圖形展示數據場得特征，能顯著提高數據處理的效率，提高對數據反饋信息的處理速度和能力。 MATLAB 提供了吩咐的科學極端可視化功能，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?；?MATLAB 句柄圖形對象，結合繪圖工具函數，可以根據需要用 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，方便的解決本領域內常見的計算問題。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的應用程序接口。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，從而能夠實現(xiàn)與 VB、 VC 等程序的無縫集成。利用 Web 服務器，可以實現(xiàn) MATLAB 與網絡的接口。采用互操作技術，可以實現(xiàn)MATLAB 與 NET 程序的接口。利用端口 API 函數，可以實現(xiàn) MATLAB 與硬件的接口。 MATLAB 編程語言是一種面向科學與工程計算的高級語言允許按照數學習慣的方式編寫程序。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習和應用 MATLAB 語言以矢量矩陣為基本的數據單元包含流程控制語句順序選擇循環(huán)條件轉移和暫停等大量的運算符豐富的函數多種數據結構輸入輸出以及面向對象編程這些既可以滿足簡單問題的求解，也適合于開發(fā)復雜的大型程序。 MATLAB 不僅僅是一套打包好的函數庫，同時也是一種高級的面向對象的編程語言。使用 MATLAB 能夠卓有成效地開發(fā)自己的程序。MATLAB 自身的許多函數實 際上也包括所有的工具箱函數都是用 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 數據可視化的核心部分。它既包含對二維和三維數據的可視化、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 擁有多種數學、統(tǒng)計及工程函數 [15]，可使用戶立刻實現(xiàn)所需的強大的數學計算功能。這 些函數式由各領域的專家學者開發(fā)的數值計算程序，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果。 MATLAB內置的強大數學函數庫既然、包含了最基本的數學運算函數，如求正弦、余弦等函數，也包含了豐富的復雜函數，如矩陣特征值，矩陣求逆，傅里葉變換等函數。 MATLAB 應用程序接口是通過 MATLAB 的 API 庫完成的， MATLAB 通過對 API 庫函數的調用可以與其他應用程序交換數據 控制系統(tǒng)工具箱介紹 面向控制工程應用一直是 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 中通過該接口函數庫調用 MATLAB 的程序。 MATLAB應用程序接口中的內容包括實時動態(tài)鏈接外部 C 或 Fortran 應用函數，獨立 C 或Fortran 程序中調用 MATLAB 函數輸入各種 MATLAB 及其他標準格式的數據文件，創(chuàng)建圖文并貌的技術文檔，包括 MATLAB 圖形、命令，并可通過 word 輸出。了控制系統(tǒng)設計工具箱。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，為設計研究人員避免重復繁瑣的計算和編程。 控制系統(tǒng)工具箱主要函數 [16] 8 一、線性定常系統(tǒng)（ LTI）數學模型生成函數 tf()：創(chuàng)建傳遞函數模型； 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()：獲取模型參數信息； set()：設置模型參數。 二、數學模型轉換函數 cd()：連續(xù)系統(tǒng)轉換成離散系統(tǒng)； dc()：離散系統(tǒng)轉換成連續(xù)系統(tǒng)； dd()：離散系統(tǒng)重新采樣。 三、時間響應 函數 impulse()：計算并繪制沖擊響應； step()：計算并繪制階躍響應。 四、頻率響應函數 bode()：計算并繪制伯德響應； 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)分析與設計圖形用戶接口 ltiview：打開定常系統(tǒng)響應分析窗口。； sisotool：打開單輸入單輸出系統(tǒng)設計圖形用戶接口。 六、模型轉換函數 tfzp()：傳遞函數模型轉換為零極點模型； tfss()：傳遞函數模型轉換為狀態(tài)方程模型； sstf()：狀態(tài)方程模型轉換為傳遞函數模型； sszp()：狀態(tài)方程模型轉換為零極點模型。 七、其他函數 strnum()：將輸入字符串轉換為數值； 9 get(,’ string’)：讀取 MATLAB GUI 控件參數。 3 MATLAB 簡介及應用 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據分析、解方程、計算結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用程序，想進行某種技術、方法演示，想制作一個供反復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。用戶圖形界面應當是易理解且操作是可以預告的，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 uicontrol 創(chuàng)建，菜單由函數 uimenu 和 uicontextmenu創(chuàng)建，坐標系經常用于顯示圖形化數據，由函數 axes 創(chuàng)建。 GUI 的每一個組件都必須安排圖像窗口中。以前，我們在畫數據圖像時，圖像窗口會被自動創(chuàng)建。但我們還可以用函數 figure 來創(chuàng)建空圖像窗口，空圖像窗口經常用于放置各種類 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 程序運行相應的函數，那么 MATLAB 函數肯定會有所反應。例如，如果用戶單擊一按鈕，這個時間必然導致相應的 matlab 語句執(zhí)行，這些相應的語句被稱為回應，只要執(zhí)行GUI 的單個圖形組件，必須有一個回應。 圖形用戶界面設計工具的啟動 圖形用戶界面設計工具的啟動方式 .命令方式 圖形用戶界面 GUI 設計工具的啟動命令為 guide，格式為 : （ 1） guide 功能： 啟動 GUI 設計工具，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