MATLAB實習報告

1、電氣信息工程學院 計算機仿真課程實習報告課題名稱：基于matlab的過程控制系統(tǒng)的設計專 業(yè)： 自動化 姓 名： 曾 濤 班級學號： 08級1班33號 指導教師： 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11.2 matlab的功能11.3 matlab語言的優(yōu)點22 計算機仿真課程實習的目的23 過程控制系統(tǒng)的設計23.1 過程控制系統(tǒng)的性能分析23.2 pid控制器的設計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 仿真及結果分析73.3 smith預估補償器的設計83.3.1 smith預估補償器

2、的基本原理83.3.2 仿真及結果分析84 計算機仿真課程實習的心得體會95 參考文獻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、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。 matlab的推出得到了各個領域的廣泛關注，其強大的擴展功能為各個領域的應用提供了基礎。由各個領域的專家學者相繼推出了matlab工具箱，其中控制類的主要有信號處理、控制系統(tǒng)、神經網絡、圖像處理等。借助matlab的這些工具箱，人們可直觀、方便地進行分析、計算及設計工作，從而大大節(jié)省了時間，并能很快地設計出更多的解決

3、方案來確保未來更多的技術需要。matlab名字由matrix和 laboratory 兩詞的前三個字母組合而成。20世紀七十年代后期時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的cleve moler教授出于減輕學生編程負擔的動機，為學生設計了用fortran編寫的萌芽狀態(tài)的matlab。經幾年的校際流傳，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的特點功能強大的數(shù)值運算語言簡潔緊湊先進的資料視覺化功能 開放及可延伸的架構豐富的程式工具箱移植性和開放性好語句簡單，內涵豐富

4、高效方便的矩陣和數(shù)組運算方便的繪圖功能1.2 matlab的功能matlab可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。1.3 matlab語言的優(yōu)點用matlab編程運算與人進行科學計算思路和表達方式一樣，所以用matlab進行運算和在草稿紙上演算數(shù)學題一樣方便。matlab既像一種萬能的，科學的數(shù)學運算“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)學基礎和計算機語言知識的要求，即使用戶不懂c或fortran這樣的程序設計語言，

5、也可使用matlab輕易地再現(xiàn)c或fortran語言幾乎全部的功能，從而設計出功能強大，界面好，穩(wěn)定可靠的程序，編程效率和計算效率極高。2 計算機仿真課程實習的目的（1）、熟悉matlab語言的使用，學習并掌握程序的編寫和調試過程。（2）、采用matlab完成控制系統(tǒng)的建立、分析和設計仿真，了解和掌握matlab對控制系統(tǒng)的分析和設計的原理。3 過程控制系統(tǒng)的設計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，這就必然導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。特別是，當延遲時

6、間足夠長時，還可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 結論：由圖象可知，原系統(tǒng)超調量較大，調節(jié)時間長，穩(wěn)定性較差，需要通過設計使系統(tǒng)響應更加迅速。3.2 pid控制器的設計3.2.1 pid控制器的基本原理pid 控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據和一個參考值進行比較，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)據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，pid控制器可以根據歷史數(shù)據和差別的出現(xiàn)率來調整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。可以通過數(shù)學的方法證明，在其他控制方法導致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復的情況下，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整被控制的數(shù)值。而實際上這些加法運算大部分變成了減法運算因為被加數(shù)總是負值。這三種算法是：比例環(huán)節(jié)- 來控制當前，誤差值和一個負常數(shù)p（表示比例）相乘，然后和預定的值相加。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系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是10c，它的預定值是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、，然后乘以一個負常數(shù)i，然后和預定值相加。i從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，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)會在預定值定下來。微分環(huán)節(jié) - 來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數(shù)d相乘，最后和預定值相加。這個導數(shù)的控制會對系統(tǒng)的改變作出反應。導數(shù)的結果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結果作出更快速的反應。這個d參數(shù)也是pid被稱為可預測的控制器的原因。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。這一點在計算它是否會最終達到穩(wěn)定結果時很有用。如果數(shù)值挑選不當，控制系統(tǒng)的輸入值會反復振蕩，這導致系統(tǒng)可能永遠無法達到預設值。根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差 ，將偏差的比（p）、積分（i）和微分（d）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱pid控制器。其控制規(guī)律為 或寫成傳遞函數(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)投入運行。2） 待系統(tǒng)運

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，按經驗公式計算整定參數(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)結果：圖3-53.2.3 仿真及結果分析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預估補償器的設計3.3.1 smith預估補償器的基本原理預先估計出被控過程的動態(tài)模型，然后將預估器并聯(lián)在被控過程上，使其對純滯后過程中特性進行補償，力圖將被控延遲時間的被控量提前送入調節(jié)器，因而調節(jié)器能提前動作，這樣就通過補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量，縮短過渡過程時間，有效地改善控制品質，所以它是一種比較理想的大滯后系統(tǒng)控制方案。3.3.2 仿真及結果分析smith預估器控制器系統(tǒng)simulink仿真模型框圖：圖3-8pid控制與smith預估器對

12、比圖圖3-9結論：由兩者的對比圖像可分析出，smith控制器相比于pid控制器，超調量幾乎為零，上升時間，調節(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預估補償控制,系統(tǒng)輸出響應曲線與常規(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相比,前者又略有不足:當模型參數(shù)增大時,輸出響應有微小的超調產生,調節(jié)時間縮短一些;當模型參數(shù)減小時,系統(tǒng)調節(jié)時間增長,但過程更平穩(wěn)。程序清單：4 計算機仿真課程實習的心得體會在為期一周的實習過程中，我學到了許多書

13、本上學不到的知識，本以為十分枯燥的設計過程卻讓我得到了很多樂趣，同時也讓我懂得了團隊合作的力量，為今后的進一步學習奠定了基礎。 當老師布置完題目后，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內容分析清楚，然后和組員一步步地分模塊地完成各個部分的任務，最終成功地完成了對整個系統(tǒng)性能的分析和改進。 一周的實習對我來說，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能力的培養(yǎng)產生了深遠的影響。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。我覺得想要學好matlab是不容易的，這是一件需要持之以恒且要細心的事，必須要堅持不懈的學習，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。程序設計是實踐性和操作性很強的事情，需要我們親自動手。因此，我們應該經常自己動手實際操作設計程序，熟悉matlab的操作，這對提高我們的操作能力非常有效，這次實習中得到的這些經驗和教訓對我今后的學習將會有很大的幫助，讓我明白不僅要充分的掌握課本上的知識，而且要活學活用、學以致用，不能過分強調基本理論的掌握，而應該側重于基本知識和實際的相結合。 我覺得，從計算機仿真技術這門課程的特點來看，掌握如何對系統(tǒng)進行正確的分析和改進，使系統(tǒng)在最優(yōu)的狀態(tài)下運行，這才是我們學習matlab軟件的關鍵所在，而具有一定的系統(tǒng)分析能力和設計能力才是本次實習的目的