【基础】MATLAB_Simulink与控制系统仿真基础

# 2.1 控制系统基础知识

控制系统是一类能够通过输入信号来控制输出信号的系统。控制系统广泛应用于工业、交通、通信、国防等领域，是现代社会不可或缺的基础设施。

控制系统由传感器、控制器、执行器三部分组成。传感器负责采集被控对象的输出信号，控制器根据传感器采集的信号和给定的参考信号计算出控制信号，执行器根据控制信号对被控对象进行控制。

控制系统的数学模型可以分为时域模型和频域模型。时域模型描述了系统在时间域内的动态特性，频域模型描述了系统在频率域内的动态特性。控制系统的设计和分析通常基于其数学模型进行。

# 2. 控制系统建模与仿真基础

### 2.1 控制系统基础知识

**定义：**
控制系统是一种通过测量、比较、计算和执行来控制输出以达到预期目标的系统。

**组成：**
* 传感器：测量被控对象的状态
* 控制器：根据测量值计算控制信号
* 执行器：将控制信号作用于被控对象

**分类：**
* 线性/非线性
* 时不变/时变
* 单输入单输出（SISO）/多输入多输出（MIMO）

### 2.2 MATLAB中的控制系统建模

**Transfer Function：**

num = [1 2];
den = [1 3 2];
sys = tf(num, den);

**State-Space：**

A = [1 2; -3 -4];
B = [0; 1];
C = [1 0];
D = 0;
sys = ss(A, B, C, D);

**Simulink Block Diagram：**
* 使用Transfer Function或State-Space模块
* 连接模块表示信号流
* 设置参数和初始条件

### 2.3 Simulink中的控制系统仿真

**Simulink环境：**
* 图形化建模和仿真平台
* 提供丰富的控制系统模块库

**仿真过程：**
* 创建模型
* 设置仿真参数
* 运行仿真
* 查看仿真结果（波形、数据）

**仿真分析：**
* 时域响应：分析输出信号随时间的变化
* 频域响应：分析系统对不同频率输入的响应
* 稳定性分析：判断系统是否稳定

# 3.1 控制系统设计方法

### 3.1.1 控制系统设计的基本步骤

控制系统设计是一个复杂的过程，通常涉及以下基本步骤：

1. **系统建模：**建立系统的数学模型，描述其输入、输出和内部状态之间的关系。
2. **性能指标定义：**确定系统需要满足的性能指标，例如稳定性、响应时间和精度。
3. **控制器设计：**设计一个控制器来操作系统，以达到所需的性能指标。
4. **验证和仿真：**使用仿真工具验证控制器的设计，并评估其在不同操作条件下的性能。
5. **实现：**将控制器部署到实际系统中，并监控其性能。

### 3.1.2 控制系统设计方法分类

控制系统设计方法可以分为两大类：

1. **经典控制方法：**基于经典控制理论，使用时域或频域技术来设计控制器。
2. **现代控制方法：**基于状态空间模型和