控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真大論文教材

1、控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真大論文指標(biāo)點1.54.24.45.15.25.3總分得分評閱人1. 課程目標(biāo) 1：理解自動控制系統(tǒng)的概念及其在自動化工程中的體現(xiàn)，能對自動化復(fù) 雜控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 時域分析， 根軌跡法及頻域分析， 并能針對復(fù)雜的自動化系統(tǒng) 進(jìn)行建模和控制算法設(shè)計。 （對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點 1.5）2. 課程目標(biāo) 2：理解自動控制原理及現(xiàn)代控制理論等理論基礎(chǔ)，能夠根據(jù)控制對象特 征，選擇合適的控制系統(tǒng)校正方法，并進(jìn)行有效的系統(tǒng)設(shè)計。 （對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點 4.2）3. 課程目標(biāo) 3：掌握 MATLAB 軟件中關(guān)于控制系統(tǒng)建模和控制算法設(shè)計的相關(guān)操作， 能夠根據(jù)需要完成程序編譯及控制效果圖

2、的展示， 能夠進(jìn)行正確的實驗數(shù)據(jù)處理和分析， 并 對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，獲得控制系統(tǒng)參數(shù)如何影響其控制性能等的有效結(jié)論。 （對應(yīng) 畢業(yè)要求指標(biāo)點 4.4）4. 課程目標(biāo) 4：掌握控制科學(xué)的仿真軟件 MA TLAB 的基本操作，能針對復(fù)雜的自動 化系統(tǒng)進(jìn)行建模， 實現(xiàn)各種模型之間的轉(zhuǎn)換及模型連接， 掌握系統(tǒng)預(yù)測與模擬仿真方法。 （對 應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點 5.1）5. 課程目標(biāo) 5： 理解復(fù)雜控制系統(tǒng)模擬仿真與預(yù)測方法的局限性。 （對應(yīng)畢業(yè)要求指 標(biāo)點 5.2）6. 課程目標(biāo) 6：針對自動化復(fù)雜工程的控制問題，能提出串級控制、前饋控制、反饋 速度控制等多種解決方案，并確定滿足性能指標(biāo)要求的控制器

3、設(shè)計，能在 MATLAB 軟件中 建立合理的控制算法，完成控制器的設(shè)計和仿真分析。 （對應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點 5.3）姓名： 學(xué)號：班級：序號：目錄1、MATLAB軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景 1摘 要 1ABSTRACT 21.1 、 MATLAB簡介 31.2 、 Simulink 簡介 42、復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域分析、根軌跡題 52.1 題目：汽車速度控制系統(tǒng)的根軌跡分析 52.1.2 、汽車速度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 52.1.2 、設(shè)計要求 62.1.3 、請依次求解 62.2 、汽車速度控制系統(tǒng)題目解答 72.2.1 、三階系統(tǒng)的根軌跡圖 72.2.2 、滿足上述條件

4、的系統(tǒng)穩(wěn)定的 Ka的值 72.2.3 、三階系統(tǒng)的時域性能指標(biāo) 83、復(fù)雜控制系統(tǒng)校正題 103.1 、題目：直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制 103.1.1 、對象介紹 103.1.2 、控制目標(biāo)設(shè)定 113.1.3 、建立系統(tǒng)傳遞函數(shù) 113.1.4 、設(shè)計要求 113.1.5 、請依次求解 123.2 、直流電機(jī)繞線系統(tǒng)控制題目解答 123.2.1 、總體設(shè)計框圖 123.2.2 、原系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度 163.2.4 、判定穩(wěn)定性 173.2.5 、滯后 - 超前校正裝置 204、心得體會 28參考文獻(xiàn) 29小論文題目： MA TLAB 軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景少于 150

5、0 字）題號1.1分值30指標(biāo)點5.2得分小論文包括：中文摘要、關(guān)鍵詞、英文摘要、英文關(guān)鍵詞、正文。1、 MATLAB軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景摘要MATLAB是 MathWorks 公司于 1984 年推出的一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言， 可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。 Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo) 操作就能完成， 它提供了一種更快捷、 直接明了的方式， 而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真 結(jié)果。關(guān)鍵詞 ：MATLAB Simulink 控制系統(tǒng) 仿真 系統(tǒng)模型A

6、BSTRACTMATLAB is an interactive programming language for matrix computation based on the MathWorks company launched in 1984, can be used for the senior technical calculation algorithm development, data visualization, data analysis and numerical computing language and interactive environment. Simulin

7、k provides a building block diagram model of the graphical user interface, the process of creating just click and drag the mouse operation can be completed, it provides a convenient and straightforward way, and users can immediately see the results of simulation system.Keywords： MA TLA Simulink Cont

8、rol system simulation system mode隨著現(xiàn)在國家推行建設(shè)應(yīng)用型本科大學(xué)服務(wù)地方的要求， 現(xiàn)在各高校理論課程及課時嚴(yán) 重削減， 很多數(shù)學(xué)知識比如復(fù)變函數(shù)等都取消了， 高等數(shù)學(xué)也只是上了基礎(chǔ)部分， 最直接的 后果就是導(dǎo)致工科的專業(yè)課很難以過去傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行下去， 其中控制工程基礎(chǔ)就是一 門影響比較嚴(yán)重的課程，針對這種情況，在教學(xué)中引入 MATLAB，配合其強(qiáng)大的數(shù)值計算能 力、繪圖及建模仿真，以彌補(bǔ)這一缺陷， 同時使抽象的課程形象化，培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)及自 學(xué)能力，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)也有很大的幫助。眾所周知， 一個系統(tǒng)的好壞要根據(jù)這個系統(tǒng)是否穩(wěn)定來判斷， 因而穩(wěn)定

9、性是控制系統(tǒng)能 否正常工作的首要條件， 所以在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計時首先判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 而在自動控 制理論的學(xué)習(xí)過程中， 對判別穩(wěn)定性一般采用勞斯穩(wěn)定判據(jù)的計算來判別。 對于低階或是不 復(fù)雜的系統(tǒng)判斷起來很簡單， 但是對于高階系統(tǒng)， 按這樣的方法計算過程繁瑣且復(fù)雜， 很容 易出錯。運用 MATLAB來判斷穩(wěn)定性不僅減少了計算量，而且準(zhǔn)確。由于 MATLAB的使用極其容易，不要求使用者具備高深的數(shù)學(xué)與程序語言的知識，不需 要使用者深刻了解算法與編程技巧， 且提供了豐富的矩陣處理功能， 所以受到了廣大學(xué)生和 科研工作者的青睞。使用 MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的

10、傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB的 Simulink 工具箱對其進(jìn)行計算機(jī)仿真研究。1.1 、 MATLAB簡介MATLAB是 MathWorks 公司于 1984 年推出的一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言， 可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。 MATLAB與 MATHEMATIC、AMAPLE并稱為數(shù)學(xué)領(lǐng)域的三大軟件，其中MATLAB在數(shù)值計算方面以及工業(yè)和科研領(lǐng)域中的普及程度均首屈一指。目前國內(nèi)眾多高校均初步把MATLAB作為控制工程基礎(chǔ)教學(xué)的基本工具，通過 MATLAB的框圖構(gòu)造使學(xué)生能很快地從復(fù)雜的結(jié)構(gòu)框圖中 理清頭緒，并了解系統(tǒng)的有

11、關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)特征的相互關(guān)系。MATLAB語言規(guī)則簡單，同時提供了數(shù)以千記的計算函數(shù)，對控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建 立及分析在控制系統(tǒng)的研究中有著相當(dāng)重要的作用。 因為要對系統(tǒng)進(jìn)行仿真處理， 首先應(yīng)當(dāng) 知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后才可以對系統(tǒng)進(jìn)行模擬。同樣，如果知道了系統(tǒng)的模型，才可以 在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個合適的控制器， 使得系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到預(yù)期的效果， 從而符合工程實際的需 要。 MATLAB軟件的應(yīng)用，學(xué)生感覺在解決了煩人的數(shù)學(xué)問題后，其實控制工程基礎(chǔ)是一門 很有意思也很有用的課程，尤其是學(xué)校組建了自動化大賽的隊伍，在準(zhǔn)備比賽提案撰寫中， 也充分發(fā)揮了 MATLAB軟件功能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及科研

12、、動手的能力。MATLAB不僅有著豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算時可以直接調(diào)用。而且用戶還 可以根據(jù)需要方便地編寫和擴(kuò)充新的函數(shù)庫。通過混合編程用戶可以方便地在MATLAB環(huán)境中調(diào)用其他用 Fortran 或者 C 語言編寫的代碼， 也可以在 C語言或者 Fortran 語言程序中調(diào) 用 MATLAB計算引擎來執(zhí)行 MATLAB代碼1.2 、 Simulink 簡介Simulink 是 MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包， 被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、 非線性系統(tǒng)、數(shù) 字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。 Simu

13、link 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或 兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模， 它也支持多速率系統(tǒng)， 也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的 采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口， 這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式， 而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。其實，從很多實例分析就可以看出MATLAB的功能之強(qiáng)大，應(yīng)用范圍之廣。相信，在不久的將來，MATLAB在自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用中會更加廣泛。綜上所述， MATLAB是一種基于矩陣運算、具有強(qiáng)大的數(shù)值運算和數(shù)據(jù)處理功能的高級 編程語言， 廣泛應(yīng)用于信號分析、語音

14、分析、 優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域，在復(fù)雜算法方面表現(xiàn)出其他 語言難以比擬的優(yōu)勢，目前已成為國際上最為流行的軟件之一。復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域分析、根軌跡題題號2.12.22.3分值5510指標(biāo)點1.55.14.4得分2、 復(fù)雜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域分析、根軌跡題2.1 題目：汽車速度控制系統(tǒng)的根軌跡分析汽車測速是生活中經(jīng)常遇到的問題， 汽車速度控制系統(tǒng)是為了讓兩車之間的距離保持在 安全距離， 防止事故。 整個系統(tǒng)可以模擬成一個單輸入單輸出的控制過程， 主要是要確定汽 車的運行軌跡，運用根軌跡法可以很好的分析速度控制系統(tǒng)2.1.2 、汽車速度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立汽車速度控制系統(tǒng)主要是通過兩車的速度檢查和相

15、對距離的檢查， 通過數(shù)字通信送到計算機(jī)進(jìn)行計算是否滿足兩車之間的安全距離，再通過車內(nèi)的控制設(shè)備對汽車的速度進(jìn)行調(diào)5圖 2.1 汽車速度控制系統(tǒng)實物簡圖Figure 2.1 vehicle speed control system physical diagram忽略汽車速度控制系統(tǒng)其它影響因素， 假定控制過程汽車速度均勻變化， 速度檢查裝置和兩車相對距離檢查裝置采集的信號都無衰減，我們可將汽車測速控制系統(tǒng)模擬為但輸入但輸出的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖簡化為圖4，其中輸入 汽車的相對速度，輸出 為兩車之間的安全距離。圖 2.2 汽車速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 2.2 vehicle speed con

16、trol block diagram of the system由圖 2.2 可計算得到汽車速度控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)s(s 2)( 0. 2s 1)Ka2.1.2 、設(shè)計要求在已知的根軌跡上選取最佳阻尼系數(shù) 0.707 ，對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析 , 保證汽車速度 控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)：指標(biāo) 1：階躍響應(yīng)的超調(diào)量% 5%指標(biāo) 2：階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時間 t s5.5s( 2%)2.1.3 、請依次求解1 請繪制三階系統(tǒng)的根軌跡圖2 請確定滿足上述條件的系統(tǒng)穩(wěn)定的Ka 的值3 請計算出在滿足 3.2 條件下的三階系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)2.2 、汽車速度控制系統(tǒng)題目解答2.2.1 、三階系統(tǒng)的根軌跡圖程

17、序如下( 2.1 )： num=1; den=0.2 1.4 2 0; rlocus(num,den) grid on圖 2.3 三階系統(tǒng)的根軌跡圖2.2.2 、滿足上述條件的系統(tǒng)穩(wěn)定的 Ka 的值根據(jù)根軌跡可以得到： 0Ka0, 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定 ,否則系統(tǒng)不穩(wěn)定。利 用 Matlab 函數(shù) margin() 來繪制 Bode 圖和計算頻域指標(biāo)。系統(tǒng)程序如下( 3.3 )：num = 25;den = conv(0.5,1,0,0.1,1);sys = tf(num,den)Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(sys) margin(sys)17執(zhí)行結(jié)果如圖 3.7圖 3.7 原系統(tǒng) Bo

18、de 圖圖中相角穩(wěn)定裕度： =-14.9 0) n=length(i) if (n0)disp(system is unstable);elsedisp( system is stable);18end執(zhí)行結(jié)果：num =5000 0 0den =1 12 20500z =Empty matrix: 0-by-1-13.3174 + 0.0000i0.6587 + 6.0919i0.6587 - 6.0919i i =23n =2system is unstable由此可見系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。193.2.5 、滯后 - 超前校正裝置(1)、串聯(lián)滯后校正的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)3.5 ）：用 MATLAB編寫的求

19、滯后校正的程序代碼如下( num=500;den=conv(conv(1 0,1 2),1 10); sys=tf(num,den);mag,phase,w=bode(sys);Mag=20*log10(mag);Pm=-14.9;Pm1=Pm+80; Qm=Pm1*pi/180;b=(1-sin(Qm)/(1+sin(Qm); Lcdb=-20*log10(b);wc=spline(Mag,w,Lcdb); T=10/(wc*b);Tz=b*T;Gc=tf(Tz 1,T 1)Gc =9.357 s + 1192 s + 1Continuous-time transfer function.所

20、以到結(jié)果為G(c)9. 357s192s3.6 ）：使用 MATLAB檢驗是否符合要求，程序代碼為( num1 = 500;den1=conv(conv(1 0,1 2),1 10); sys1=tf(num1,den1);num2=9.357 1; den2=192 1;sys2=tf(num2,den2);20sys=sys1*sys2; mag,phase,w=bode(sys); margin(sys) grid on圖 3.8 校正后的系統(tǒng) Bode 圖MATLAB仿真結(jié)果為： Gm=19.3dBPm=50.3deg符合設(shè)計要求）（ 2）、用 MATLAB畫校正前后的軌跡校正前的根軌

21、跡由于系統(tǒng)未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)500s(s 2)( s 10)使用 MATLAB畫根軌跡代碼如下（ 3.7 ）：num=50021den=conv(conv(1 0,1 2),1 10) rlocus(num,den) grid on圖 3.9 校正前系統(tǒng)根軌跡圖校正后的根軌跡 系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)500( 9. 357s 1)s(s 2)( s 10)( 192s 1)使用 MATLAB畫根軌跡代碼如下( 3.8 )： num=500*9.357 1;den=conv(conv(1 10,192 1),1 2 0); rlocus(num,den) grid o

22、n22圖 3.10 校正前系統(tǒng)根軌跡圖（ 3）用 MATLAB對校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析系統(tǒng)未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)500s(s 2)( s 10)單位負(fù)反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(s) CR(ss)500s 3 12s 2 20s 500使用 MATLAB求校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)代碼如下（3.9 ）：num=500;den=1,12,20,500; t=0:0.01:20 step(num,den,t) y,x,t=step(num,den,t)23maxy=max(y) yss=y(length(t) pos=100*(maxy-yss)/yss for i=1:2001i

23、f y(i)=maxyn=i; end end tp=(n-1)*0.01 y1=1.05*yss y2=0.95*yss i=2001 while i0 i=i-1breakif y(i)=y1|y(i)=y2;m=i;endend24圖 3.11 校正前單位階躍響應(yīng)曲線圖系統(tǒng)能穩(wěn)定使用 MATLAB求校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)代碼如下(3.10 )：num=500;den=1,12,20,500; s1=tf(num,den);Lsys=tf(num,den); y,t,x=step(Lsys); plot(t,y) grid on;圖 3.12 校正前的單位階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)系能

24、指標(biāo)：上升時間峰值時間調(diào)節(jié)時間峰值幅值tr = 0.229stp =0.558sts =12.8sh(tp ) =1.7925穩(wěn)態(tài)值 h( )= 1超調(diào)量% h(t p ) h( ) 100%=79%h( )校正后系統(tǒng)系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：500( 9. 357s 1) G(s)s(s 2)( s 10)( 192s 1)單位負(fù)反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為(s)C(s)R(s)500( 9. 357s 1)192s 4 2204s 3 6610s 2 4890s使用 MATLAB求校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)代，代碼如下( num=500*9.357,1den=192,2204,6610,4890,500 s1=tf(num,den);Lsys=tf(num,den); y,t,x=step(Lsys); plot(t,y) grid on5003.11 )：26圖 3.13 校正后的單位階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)系能指標(biāo)：上升時間 tr = 2.49s峰值時間 tp =5.13s調(diào)節(jié)時間 ts =14s峰值幅值 h(tp )