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matlabsisotools使用手册

利用Matlab 內建程式 SISO Design Tool完成系統分析(Matlab 6.1):開啟Matlab (6.x以上版本),如下圖一左方視窗中點選Control System Toolbox並執行SISO Design Tool,或在Command Window下鍵入sisotool亦可開啟功能。

圖一:Command Window 視窗開啟後視窗如下:圖二:SISO Design Tool視窗File選項:為使程式部分功能可行運作,首先必須在Command Window下輸入系統之轉移函數。

例如:Command Window下建入G=tf([250],[1 25 0]),輸入完畢後再由SISO Design Tool視窗中選取File→Import便可開啟視窗如圖二:圖三:系統資料輸入視窗在視窗中可看見已定義之轉移函數G,檔案來源另可選擇MAT-file、Simulink。

點選箭頭符號即可將其載入G(Plant)。

其中H(Sensor)、F(Prefilter)、C(Compensator)也可利用相同的方式載入,若無載入參數,則程式將定為1。

讀者也可點選圖中Other來切換不同方塊圖。

全部選擇完畢後按OK建確認,便可顯示出系統圖形如圖四。

123456789圖四:給定系統資料後之SISO Design Tool視窗Edit選項:1. Undo:取消上一次動作。

2. Redo:回複上一次動作。

3.以Root Locus為例:(其餘請自行類推),如圖五所示。

圖五:Edit選項示意圖相對選項如下:Add Pole/Zero:增加(共軛)極點或(共軛)零點至原圖,相同。

點選後可利用滑鼠在圖形中選擇之位置增加極零點。

Delet Pole/Zero:消除原圖之(共軛)極點或(共軛)同。

Design Constraints:設計限制要求。

如安定時間(Settling Time)、超越量(Percent Overshoot)、阻尼比(Damping Ratio)、自然頻率 (Natural Frequency)。

Grid:將圖形加上格線。

Zoom:Property:編輯圖形。

如座標名稱、圖形顯示範圍、圖線顏色等。

4. SISO Tool Preference:圖六Unit:選擇所示單位。

Style:座標內容調整、字型調整。

Option:補償器顯示型態。

Line Color:元件線條顏色更改。

另外,讀者也可不需藉由Edit選項來做圖形之修改以及設計,以圖三中之根軌跡圖做為說明,其方法如下:1.於根軌跡圖示中敲擊滑鼠左鍵兩次:如圖七所示。

Label:圖形以及座標軸名稱。

Limit:座標軸範圍。

Option:加入圖形格線以及顯示阻尼資訊。

*注意:不同的性能響應圖其三選項內之功能也不相同。

圖七:圖形編輯視窗2.於根軌跡圖示中敲擊滑鼠右鍵一次:圖八:擊點系統圖形示意圖若在每一圖形中擊點滑鼠右鍵,亦可得類似於圖五之選項,唯獨新增了一選項:Edit Compensator。

Edit Compensator:補償器(控制器)編輯。

可藉由輸入控制器欲增加之極零點位置以及增益值,或可另行選擇以阻尼常數及自然頻率之型態來做控制器的編輯。

讀者也可藉由圖四中之選項Compensators(稍後將介紹)來對控制器作編輯。

圖四中顯示了系統之根軌跡圖、波德圖。

讀者可選擇View勾選顯示不同的系統分析圖。

View選項:1. Root Locus:顯示根軌跡圖。

2. Open-Loop Bode:顯示開迴路波德圖。

3. Open-Loop Nichols:顯示開迴路尼可士圖。

4. Prefilter Bode:顯示前置濾波器之波德圖。

5. System Data:可顯示及更改檔名,若點選Show Transfer Function即可顯示系統Plant以及Sensor的轉移函數,如圖九。

圖九:系統資料視窗6. Closed-Loop Poles:顯示極點位置。

讀者可先行開啟此視窗,拖曳圖三根軌跡上之極點,視窗便會顯示此時極點大小(Pole Value)以及阻尼比(Damping)、頻率(Frequency)。

如圖十:圖十:極點位置視窗7. Design History:顯示日期以及所執行過的動作,圖十一。

圖十一:設計過程紀錄Analysis選項:(Matlab6.5才有此選項)其功能與Matlab6.1版中之Tool選項相同。

Compensators選項:1. Format:與Edit選項中SISO Tool Preference功能相同。

2. Edit:可選擇對C(Compensator)或F(Prefilter)做編輯。

如圖十二:圖十二:補償器設計視窗3.Store:儲存補償器名稱,如圖十三。

圖十三:儲存補償器名稱4.Retrieve:顯示補償器列表,如圖十四。

圖十四:已設計補償器列表5.Clear:消除已設計之補償器。

對於補償器之編輯,讀者也可直接於圖三中之Current Compensator(如下圖十五)敲擊滑鼠左鍵一次即可。

圖十五:系統補償器顯示框更改系統為正回授或系統型式,可直接於圖三中之方塊圖(如下圖)中點選+/-;FS符號即可,如圖十六。

圖十六:系統方塊圖形式Tool選項:顯示系統個別元件(間)之響應圖,其包含了:1. Loop Response:(a)Closed-Loop Step(b)Control Signal Step(c)Closed-Loop Bode(d)Compensator Bode(e)Open-Loop Bode(f)Other若點選Other,可得系統個別元件(間)之選單,如圖十七。

圖十七:系統元件(間)之選單在此選單中可勾選欲觀察之元件,勾選完畢後再由Change to:選擇響應圖形類別,選擇完畢後按Ok鍵確認即可顯示圖形。

以圖十七(顯示波德圖)為例,得到圖形如圖十八:圖十八:波德圖在圖十八中不同顏色線條代表不同元件(間)之波德圖,按滑鼠右鍵並選擇System可確認顏色所對應之元件。

同樣地,按滑鼠右鍵選擇Plot Type可更改圖示型態,另外若按住滑鼠左鍵不放拖曳圖形上之點,可以獲得不同點所獲得的資訊。

欲儲存此圖檔可在圖五中選擇File→Print to Figure即可獲得另一原圖,再此原圖中選擇File→Save即可。

2. Countinuous /Discrete Conversions:將系統由連續轉為離散(初學者可略過),如圖十九:圖十九:連續離散轉換視窗3. Draw Simulink Diagram:畫出系統之方塊圖,如圖二十:圖二十:Simulink 系統方塊圖若需將系統設計之變數回傳至Command Window作分析,則選擇File→Export將資料與Workspace做連結即可。

所有項目均設定完成後,在圖三(SISO Design Tool視窗)中選擇File→Save Session,讀取檔案選擇File→Load Session完成SISO Design Tool之操作。

**補充說明**Matlab 內建程式 SISO Design Tool系統分析版本差異:數值解方面略有差異。

讀者可藉由稍後之例題來測試Matlab6.1版與Matlab6.5版中數值解不同之處(本程式操作說明是使用Matlab6.1版)。

利用SISO Design Tool 達成控制器設計以及分析其系統響應 Example :設計規格PM=50oControllerPlant假設系統之開迴路轉移函數:)0025.001.0()01.0(15)(2+++=s s s s s G 步驟一:Command Window 下建入 G=tf([15 0.15],[1 0.01 0.0025 0])步驟二:在File 中選擇import 可看見已定義之轉移函數G 。

點選箭頭即可將其載入G(Plant)。

其中Sensor 、Prefilter 、Compensator 預設為1。

選擇完畢後按OK 建確認,如圖二十一所示:圖二十一:給定系統資料後之SISO Design Tool 視窗步驟三:在軌跡圖上敲擊滑鼠左鍵兩次,進入Property Editor調整座標軸大小範圍以利觀察。

如圖二十二。

圖二十二:座標軸調整視窗讀者可在根軌跡圖形上利用滑鼠左鍵按住不放,拖曳閉迴路極點,波德圖也將隨著系統不同極點來做改變,因此可觀察系統之G.M、P.M、Freq以及穩定性。

≅,如圖二十三所示:當C(s)約為0.008(可在視窗中鍵入)時,GM=∞;PM0此時系統處於零界穩定狀態,因此需設計一控制器。

圖二十三:座標軸調整後之SISO Design Tool視窗此時根軌跡之位置如圖二十四:極點為兩共軛虛根(圖中無法顯示)以及一負實根。

圖二十四:極點位置視窗步驟四:觀察系統尼可士圖點選View,選擇顯示尼可士圖,如圖二十五。

並在圖中敲擊滑鼠右鍵一次,選擇Grid。

圖中曲線也可藉由滑鼠拖曳來觀察不同響應。

GM:InfPM:0.0341o(未達題目需求)Stable loop圖二十五:系統尼可士圖步驟四:觀察系統步階響應以及奈氏圖(其餘圖形請自行類推)點選圖四中Tool→Loop Response→Closed-Loop Step→Open-Loop Nyquist圖二十六:步階響應及奈氏圖於圖中敲擊滑鼠左鍵兩次或右鍵一次可對圖形進行編輯,也可使用滑鼠拖曳功能。

在拖曳訊息視窗中敲擊滑鼠右鍵一次,可對此視窗做調整,如下圖二十七。

圖二十七:奈氏圖訊息視窗步驟五:加入控制器44.0058.00042.0)(++=s s s C於Command Window 下鍵入C=zpk([-0.058],[-0.44],0.0042),此為相位領先補償器。

在File 中import 已定義之補償器C 。

或由圖四中Compensators →Edit 選擇對C(Compensator)設計,如圖二十七。

圖二十八:項位領先補償器重複步驟一 ~ 步驟五,觀察系統響應如圖二十九~三十一。

圖二十九:加入控制器後之SISO Design Tool 視窗圖三十:加入控制器後之尼可士圖(PM=50o)圖三十一:加入控制器後之步階響應及奈氏圖。

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