使用python-control库实现MATLAB自动控制原理常用函数:Bode图 Nyquist图 根轨迹

最近在学习自动控制原理,电脑装的windows/ubuntu双系统,matlab安装在windows上,日常用ubuntu,写作业切换系统过于繁琐,因此想要找到python中可以替换MATLAB Control工具箱的函数库,尝试了scipy.signal、自行编写bode、nyquist等函数方法后,找到了python control库,非常方便,特此记录。Control官方网站

安装

# pip安装
pip install slycot   # 可选
pip install control

# conda安装
conda install numpy scipy matplotlib    # 如果没有安装过这几个库,否则不用这行这一句
conda install -c conda-forge control

# 测试是否安装成功
python -c "import control" # 如果没有报错说明安装成功

功能

状态方程

生成状态方程
G ( s ) = 25 s 2 + 4 s + 25 G(s)=\frac{25}{s^2+4s+25} G(s)=s2+4s+2525

import control as ctr
import matplotlib.pyplot as plt

# 使用tf生成状态方程
sys = ctr.tf([25],[1,4,25])

# 使用表达式生成状态方程
s = ctr.tf('s')
sys  = 25.0/(s**2+4.0*s+25.0)

Bode图

plt.figure(figsize=(12,12)) # 调整图像大小
ctr.bode_plot(sys)

在这里插入图片描述

Nyquist图

ctr.nyquist_plot(sys)

在这里插入图片描述

根轨迹图

ctr.rlocus(sys)

在这里插入图片描述

LQR控制器

A = [[0,1,0,0],[0,0,-25,0],[0,0,0,1],[0,0,7,0]]
B = [[0],[0.25],[0],[-0.5]]
Q = [[1,0,0,0],[0,1,0,0],[0,0,100,0],[0,0,0,100]]
R = 1
[K,S,e] = ctr.lqr(A,B,Q,R)
print("K:\n",K)
print("S:\n",S)
print("e:\n",e)

输出

K:
[[  1.           2.25099079 -57.7198152  -17.12633357]]
S:
[[  2.25099079   2.03347978 -17.12633357  -0.98326011]
 [  2.03347978   3.7807706  -37.56795909  -2.61159629]
 [-17.12633357 -37.56795909 692.61081876  96.65565085]
 [ -0.98326011  -2.61159629  96.65565085  32.94686901]]
e:
[-6.1071997+0.j	-1.1592202+0.j	-0.9297473+0.8087148j	-0.9297473-0.8087148j]
<think>嗯,用户让我介绍一下自动控制原理课程的学习内容,或者用中文回答相关问题。首先,我需要确定用户是谁,可能是大学生刚开始学习这门课,或者是对自动控制感兴趣的自学者。他们可能想了解这门课的核心内容、学习重点以及应用领域,以便更好地规划学习路径或应对课程挑战。 接下来,我要回忆自动控制原理的主要知识点。通常这门课包括系统建模、时域和频域分析、稳定性判据、控制器设计等。需要分模块介绍,确保覆盖基础概念和实际应用。用户可能对数学部分感到困难,比如拉普拉斯变换、传递函数等,所以需要强调数学工具的重要性,并提供学习建议。 还要考虑用户可能的深层需求。比如,他们可能想知道如何将理论应用到实际项目中,或者课程对职业发展的帮助。因此,在介绍中应该提到实验和仿真,以及自动控制在工业、机器人等领域的应用,增强学习的实用性。 另外,学习建议部分很重要。用户可能希望了解如何高效学习,比如分阶段学习、理论与实践结合、利用软件工具等。需要给出具体的策略,帮助用户克服常见难点,如数学基础薄弱或抽象概念的理解。 最后,确保回答结构清晰,层次分明,使用口语化的中文,避免专业术语过多,必要时举例说明。检查是否有遗漏的重要知识点,比如现代控制理论简介,或者PID控制的具体应用,确保内容全面但不过于冗长。自动</think>控制原理是自动化、电气工程、机械工程等专业的核心课程,主要研究如何通过数学模型和系统分析设计控制器,使动态系统(如机械、电子、化工等)能够自动、稳定、高效地运行。以下是关于这门课程的学习内容和学习建议: --- ### **一、课程核心内容** 1. **基础概念** - **控制系统的组成**:传感器、控制器、执行器、被控对象等。 - **开环与闭环控制**:反馈的作用(如稳定性、抗干扰性)。 - **典型输入信号**:阶跃、斜坡、脉冲信号等。 2. **数学模型** - **微分方程**:描述系统动态行为的时域方程。 - **传递函数**:通过拉普拉斯变换将微分方程转换为频域模型。 - **状态空间模型**:多输入多输出(MIMO)系统的矩阵表示(现代控制理论的基础)。 3. **系统分析** - **时域分析**:阶跃响应、稳态误差、动态性能指标(超调量、调节时间)。 - **频域分析**:伯德Bode Plot)、奈奎斯特Nyquist Plot)、相位裕度与幅值裕度。 - **稳定性判据**:劳斯判据(Routh-Hurwitz)、奈奎斯特稳定性判据。 4. **控制器设计** - **经典控制方法**:PID控制器(比例-积分-微分控制)、超前滞后校正。 - **根轨迹法**:通过极点配置调整系统性能。 - **现代控制方法**:状态反馈、最优控制(如LQR)、鲁棒控制。 5. **应用扩展** - 数字控制系统(离散时间系统)、非线性系统简介、自适应控制等。 --- ### **二、学习重点与难点** - **重点**:传递函数推导、稳定性分析、PID控制器设计、频域分析工具(伯德)。 - **难点**: - 拉普拉斯变换和Z变换的数学基础。 - 根轨迹和奈奎斯特判据的抽象分析。 - 状态空间模型的建立与求解。 --- ### **三、学习方法建议** 1. **分阶段学习**: - **基础阶段**:掌握微分方程、复变函数(如极点和零点)等数学工具。 - **核心阶段**:理解传递函数和反馈原理,熟练绘制伯德根轨迹- **应用阶段**:通过MATLAB/Simulink仿真验证理论,尝试设计简单控制器(如温度控制、电机调速)。 2. **理论与实践结合**: - 实验课通常涉及实物系统(如倒立摆、直流电机)或仿真软件,通过调试参数直观理解控制效果。 - 学习PID调参方法(如试凑法、Ziegler-Nichols法)。 3. **善用工具**: - MATLAB(控制系统工具箱)、PythonControl Systems Library)进行系统分析和设计。 - 仿真工具(如Simulink)搭建控制框,验证稳定性。 4. **扩展阅读**: - 经典教材:胡寿松《自动控制原理》、Katsuhiko Ogata《Modern Control Engineering》。 - 行业应用案例:机器人运动控制、无人机姿态控制、工业过程控制(如化工反应釜)。 --- ### **四、课程意义** - **就业方向**:自动化工程师、机器人控制、智能驾驶、工业物联网(IIoT)等。 - **科研领域**:智能控制(模糊控制、神经网络控制)、复杂系统优化。 --- ### **五、常见问题** - **数学基础差怎么办?** 重点复习复变函数、线性代数,通过仿真工具辅助理解抽象概念。 - **如何应对抽象的分析方法?** 结合物理系统(如弹簧阻尼系统、电路)建立直观感受,多练习绘(如根轨迹)。 --- 自动控制原理是一门兼具理论深度和工程实用性的学科,需要耐心推导公式,同时注重实际问题的建模与解决。掌握后能显著提升对复杂系统的分析与设计能力。
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