MATLAB實(shí)習(xí)報告

1、電氣信息工程學(xué)院 計算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)報告課題名稱：基于matlab的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計專 業(yè)： 自動化 姓 名： 曾 濤 班級學(xué)號： 08級1班33號 指導(dǎo)教師： 劉英暉 成 績： 二一一年六月二十四日 目錄1 matlab簡介11.1 matlab的特點(diǎn)11.2 matlab的功能11.3 matlab語言的優(yōu)點(diǎn)22 計算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的目的23 過程控制系統(tǒng)的設(shè)計23.1 過程控制系統(tǒng)的性能分析23.2 pid控制器的設(shè)計33.2.1 pid控制器的基本原理33.2.2 pid控制器參數(shù)的整定53.2.3 仿真及結(jié)果分析73.3 smith預(yù)估補(bǔ)償器的設(shè)計83.3.1 smith預(yù)估補(bǔ)償器

2、的基本原理83.3.2 仿真及結(jié)果分析84 計算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的心得體會95 參考文獻(xiàn)101 matlab簡介matlab是美國math works公司推出的一個高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。 matlab的推出得到了各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。由各個領(lǐng)域的專家學(xué)者相繼推出了matlab工具箱，其中控制類的主要有信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等。借助matlab的這些工具箱，人們可直觀、方便地進(jìn)行分析、計算及設(shè)計工作，從而大大節(jié)省了時間，并能很快地設(shè)計出更多的解決

3、方案來確保未來更多的技術(shù)需要。matlab名字由matrix和 laboratory 兩詞的前三個字母組合而成。20世紀(jì)七十年代后期時任美國新墨西哥大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任的cleve moler教授出于減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的動機(jī)，為學(xué)生設(shè)計了用fortran編寫的萌芽狀態(tài)的matlab。經(jīng)幾年的校際流傳，在little的推動下，由little、moler、steve bangert合作，于1984年成立mathworks公司，并把matlab正式推向市場。1.1 matlab的特點(diǎn)功能強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算語言簡潔緊湊先進(jìn)的資料視覺化功能 開放及可延伸的架構(gòu)豐富的程式工具箱移植性和開放性好語句簡單，內(nèi)涵豐富

4、高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算方便的繪圖功能1.2 matlab的功能matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。1.3 matlab語言的優(yōu)點(diǎn)用matlab編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計算思路和表達(dá)方式一樣，所以用matlab進(jìn)行運(yùn)算和在草稿紙上演算數(shù)學(xué)題一樣方便。matlab既像一種萬能的，科學(xué)的數(shù)學(xué)運(yùn)算“演算紙”，又像一種萬能的計算器一樣方便快捷。matlab大大降低了對使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計算機(jī)語言知識的要求，即使用戶不懂c或fortran這樣的程序設(shè)計語言，

5、也可使用matlab輕易地再現(xiàn)c或fortran語言幾乎全部的功能，從而設(shè)計出功能強(qiáng)大，界面好，穩(wěn)定可靠的程序，編程效率和計算效率極高。2 計算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的目的（1）、熟悉matlab語言的使用，學(xué)習(xí)并掌握程序的編寫和調(diào)試過程。（2）、采用matlab完成控制系統(tǒng)的建立、分析和設(shè)計仿真，了解和掌握matlab對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計的原理。3 過程控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 過程控制系統(tǒng)的性能分析 原系統(tǒng)simulink仿真模型框圖： 圖3-1 圖3-2延遲環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響：當(dāng)過程控制系統(tǒng)存在大純延遲環(huán)節(jié)時，會使系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程式包含純延遲因子，這就必然導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。特別是，當(dāng)延遲時

6、間足夠長時，還可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 結(jié)論：由圖象可知，原系統(tǒng)超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間長，穩(wěn)定性較差，需要通過設(shè)計使系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速。3.2 pid控制器的設(shè)計3.2.1 pid控制器的基本原理pid 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運(yùn)算不同，pid控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。可以通過數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個pid反饋回路卻可

7、以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。pid是以它的三種糾正算法而命名的。這三種算法都是用加法調(diào)整被控制的數(shù)值。而實(shí)際上這些加法運(yùn)算大部分變成了減法運(yùn)算因?yàn)楸患訑?shù)總是負(fù)值。這三種算法是：比例環(huán)節(jié)- 來控制當(dāng)前，誤差值和一個負(fù)常數(shù)p（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。p只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是10c，它的預(yù)定值是20c。那么它在10c的時候會輸出100%，在15c的時候會輸出50%，在19c的時候輸出10，注意在誤差是0的時候，控制器的輸出也是0。積分環(huán)節(jié) - 來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和

8、，然后乘以一個負(fù)常數(shù)i，然后和預(yù)定值相加。i從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預(yù)定值的附近來回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會總是減少。所以，最終這個pid回路系統(tǒng)會在預(yù)定值定下來。微分環(huán)節(jié) - 來控制將來，計算誤差的一階導(dǎo)，并和一個負(fù)常數(shù)d相乘，最后和預(yù)定值相加。這個導(dǎo)數(shù)的控制會對系統(tǒng)的改變作出反應(yīng)。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。這個d參數(shù)也是pid被稱為可預(yù)測的控制器的原因。d參數(shù)對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實(shí)際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要d參數(shù)。

9、 用更專業(yè)的話來講，一個pid控制器可以被稱作一個在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點(diǎn)在計算它是否會最終達(dá)到穩(wěn)定結(jié)果時很有用。如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 ，將偏差的比（p）、積分（i）和微分（d）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱pid控制器。其控制規(guī)律為 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù) 式中kp比例系數(shù) ti積分時間常數(shù) td微分時間常數(shù) 3.2.2 pid控制器參數(shù)的整定參數(shù)整定方法：1） 置調(diào)節(jié)積分時間t到最大值（t=），微分時間t為零（t=0），比例帶置較大值，使控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。2） 待系統(tǒng)運(yùn)

10、行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩，即所謂的臨界震蕩過程。記錄下此時的比例帶，并計算兩個波峰之間的tcr(臨界震蕩周期)。tcr=12.43） 利用比例帶和tcr值，按經(jīng)驗(yàn)公式計算整定參數(shù)。圖3-3圖3-4kp=1/（1.67*1.1335）=0.528 ki=kp/（0.50*tcr）=0.085 kd=kp/（0.125*tcr）=0.341參數(shù)結(jié)果：圖3-53.2.3 仿真及結(jié)果分析pid控制系統(tǒng)simulink仿真模型框圖： 圖3-6pi與pid控制系統(tǒng)的對比圖象：圖3-7結(jié)論： 由兩者的對比圖像可分析出，pid控制器相比于pi控制器，引入有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的

11、動作速度，在調(diào)節(jié)時間上明顯變短，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也更好，所以pid控制器的優(yōu)勢更明顯。3.3 smith預(yù)估補(bǔ)償器的設(shè)計3.3.1 smith預(yù)估補(bǔ)償器的基本原理預(yù)先估計出被控過程的動態(tài)模型，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過程上，使其對純滯后過程中特性進(jìn)行補(bǔ)償，力圖將被控延遲時間的被控量提前送入調(diào)節(jié)器，因而調(diào)節(jié)器能提前動作，這樣就通過補(bǔ)償裝置消除了純滯后特性在閉環(huán)中的影響。從而可明顯地減小過程的超調(diào)量，縮短過渡過程時間，有效地改善控制品質(zhì)，所以它是一種比較理想的大滯后系統(tǒng)控制方案。3.3.2 仿真及結(jié)果分析smith預(yù)估器控制器系統(tǒng)simulink仿真模型框圖：圖3-8pid控制與smith預(yù)估器對

12、比圖圖3-9結(jié)論：由兩者的對比圖像可分析出，smith控制器相比于pid控制器，超調(diào)量幾乎為零，上升時間，調(diào)節(jié)時間上明顯變短，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也更好，能有效克服純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，所以smith控制器的優(yōu)勢相比于pid控制器更明顯。在采用smith預(yù)估補(bǔ)償控制,系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線與常規(guī)pi或pid算法相比,前者均有明顯較好的控制性能。不過,模型參數(shù)變化時與精確時輸出響應(yīng)相比,前者又略有不足:當(dāng)模型參數(shù)增大時,輸出響應(yīng)有微小的超調(diào)產(chǎn)生,調(diào)節(jié)時間縮短一些;當(dāng)模型參數(shù)減小時,系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間增長,但過程更平穩(wěn)。程序清單：4 計算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的心得體會在為期一周的實(shí)習(xí)過程中，我學(xué)到了許多書

13、本上學(xué)不到的知識，本以為十分枯燥的設(shè)計過程卻讓我得到了很多樂趣，同時也讓我懂得了團(tuán)隊合作的力量，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。 當(dāng)老師布置完題目后，由于對需要掌握的知識還不是十分理解，于是我通過看教材和查資料等方式將相關(guān)內(nèi)容分析清楚，然后和組員一步步地分模塊地完成各個部分的任務(wù)，最終成功地完成了對整個系統(tǒng)性能的分析和改進(jìn)。 一周的實(shí)習(xí)對我來說，除了知識的增加和技能的提高，這一過程也對我意志的鍛煉和自學(xué)能力的培養(yǎng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。我們在繪制圖像的時候，程序是正確的，但是圖像卻不能仿真出來，我們分析了很多原因，比如說文件存放的路徑可能不正確，或者simulink仿真模型框圖連接有問題等，可是問題依

14、舊沒有解決，最后在老師的幫助下才發(fā)現(xiàn)原來圖像函數(shù)的名稱沒有統(tǒng)一。我覺得想要學(xué)好matlab是不容易的，這是一件需要持之以恒且要細(xì)心的事，必須要堅持不懈的學(xué)習(xí)，還需要敢于開口向別人請教，更需要我們勤于思考，勤于記憶，勤于動手。程序設(shè)計是實(shí)踐性和操作性很強(qiáng)的事情，需要我們親自動手。因此，我們應(yīng)該經(jīng)常自己動手實(shí)際操作設(shè)計程序，熟悉matlab的操作，這對提高我們的操作能力非常有效，這次實(shí)習(xí)中得到的這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對我今后的學(xué)習(xí)將會有很大的幫助，讓我明白不僅要充分的掌握課本上的知識，而且要活學(xué)活用、學(xué)以致用，不能過分強(qiáng)調(diào)基本理論的掌握，而應(yīng)該側(cè)重于基本知識和實(shí)際的相結(jié)合。 我覺得，從計算機(jī)仿真技術(shù)這門課程的特點(diǎn)來看，掌握如何對系統(tǒng)進(jìn)行正確的分析和改進(jìn)，使系統(tǒng)在最優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行，這才是我們學(xué)習(xí)matlab軟件的關(guān)鍵所在，而具有一定的系統(tǒng)分析能力和設(shè)計能力才是本次實(shí)習(xí)的目的