Simulink在自動控制原理中的應用

1、Matlab大作業(yè)Simulink在自動控制原理中的應用 1980年，美國New Mexico大學的Cleve Moler博士等人推出交互式MATLAB（MATix LABoratory）語言，最初的版本是用Fortran編寫，現(xiàn)在的版本用c語言編寫。1984年，Math Works推出了第一個商業(yè)版本。 MATLAB 3.5版本中增加了Simulink（圖形化的系統(tǒng)仿真環(huán)境）。基于種群生態(tài)學的理論，以MatlabSimulink工具，根據(jù)種群發(fā)展的Logistic模型，建立了學科群發(fā)展的競爭和互補模型，并進行了模擬仿真。Matlab語言是集數(shù)值計算、符號運算和圖形處理等強大功能于一體的科學計

2、算語言,適用于 工程應用領域的分析、設計和復雜計算,而且易學易用,不要求使用者具備高深的數(shù)學知識和編程技巧自動控制原理這門課程涉及到控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計的基本理 論和相關技術。其特點是概念抽象,數(shù)學含量大,計算繁雜,以致我們難于理解,而實驗課時我們通過Simulink能更好的理解自動控制原理理論課的，Simulink是更好地幫助我們實現(xiàn)理論和實際有機結合的橋梁。搞好實驗教學，不僅可以使我們對所學理論知識有更深刻的理解和把握，同時可以提高我們的動手能力和設計水平，更好地滿足社會對人才的要求。傳統(tǒng)的自動控制實驗一般采用自控實驗箱，在實驗箱面板上連接相應的典型環(huán)節(jié)，通過對應的計算機

3、軟件觀察系統(tǒng)的響應曲線及各項指標。雖然這種方式可以一定程度地提高我們的動手能力，加深對課堂所學內容的理解，但觀察效果不理想，我們僅根據(jù)實驗模擬電路圖接線，缺少主動性和積極性。如果實驗開始階段先讓我們利用Matlab軟件進行仿真，得到完全理論分析的響應，從而對實驗箱操作起到正確的指導作用。我們一旦掌握這門語言，就可以很容易地利用軟件的相關命令函數(shù)做出所需的各種圖形，對自動控制理論課程學習有極大的促進作用。Matlab語言是集數(shù)值計算、符號運算和圖形處理等強大功能于一體的科學計算語言,適用于 工程應用領域的分析、設計和復雜計算,而且易學易用,不要求使用者具備高深的數(shù)學知識和編程技巧,現(xiàn)已成為大學教

4、學和科研中最常用的工具,掌握該工具將大大提高課程教學、解題作業(yè)、分析研究的效率13。 Simulink與建模仿真Simulink是一種用于實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具。他是Matlab的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真工作平臺。用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型4。Simulink模型可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)，如模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)。同時，Simulink是開放式的，允許用戶定制自己的模塊和模塊庫，而且他比較詳實的幫助系統(tǒng)便于應用5。對于建模，Simulink提供了一個圖形化的用戶界面(GUI),可以直接用鼠標點擊和

5、拖拉模塊的圖標建模。這是以前需要用編程語言明確地用公式表達微分方程的仿真軟件包所無法比擬的。Simulink包括一個由信號源、接受器、線性和非線性組件以及中間的連接器件組成的模塊庫，同時可以根據(jù)用戶自己的需要創(chuàng)建相應的模塊。目前，隨著軟件的不斷升級和計算機技術的飛速發(fā)展，Simulink已經在學術和工業(yè)領域得到了廣泛的應用，世界上很多知名的大公司已經使用Simulink作為產品設計和開發(fā)的工具。Simulink一般控制系統(tǒng)中的仿真應用舉例首先，展示一下用Simulink進行仿真的過程例1：對控制系統(tǒng)進行建模仿真，求系統(tǒng)的響應特性。解：(1)選擇 SUMULINK瀏覽器窗口，開啟新的仿真平臺窗口

6、。(2) 從Simulink的Source拖曳Step到仿真平臺窗口。從Simulink的Math Operations拖曳Sum到仿真從Simulink的Continuous拖曳Transfer fcn到仿真平臺窗口。從Simulink的Continuous拖曳Integrator到仿真平臺窗口。從Simulink的Sinks拖曳Scope到仿真平臺窗口。模塊庫的配置如下雙擊Sum模塊庫將List of signs：改成+-正確的設定連接線，點選transfer fcn1點選又鍵，選取Format的Flip Blcok將模塊轉向，以便連線正確的設定剩余連接線雙擊transfer fcn修改N

7、umerator coefficients:和Denominator coefficients:雙擊transfer fcn1 修改Numerator coefficients:和Denominator coefficients:設定simulation stop time點選start simulation雙擊示波器模塊，觀察結果例2二階系統(tǒng)的階躍響應實驗其模擬電路如圖1所示。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 由式(3)可知，改變比值R2/R1，可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比，改變RC值可以改變無阻尼自然頻率n。二階系統(tǒng)電路的結構如圖2所示。仿真利用Simulink建

8、立仿真框圖如圖3所示。 或者表示為如圖4所示。根據(jù)阻尼比在不同的范圍內取值，二階系統(tǒng)的單位階躍響應對應的運動規(guī)律如下6，7：(1) <0，響應發(fā)散，系統(tǒng)不能正常工作。(2) 0，系統(tǒng)以最快的速度進入穩(wěn)態(tài)，但響應曲線是等幅振蕩的。(3) 0<<1,雖然響應有超調，但是上升速度比較快，調節(jié)時間比較短。工程上把阻尼比 0.707的二階系統(tǒng)稱為二階最優(yōu)系統(tǒng)。(4) 1，響應與一階系統(tǒng)相似，沒有超調，但調節(jié)速度慢，進入穩(wěn)態(tài)需要較長時間， 二階系統(tǒng)單位階躍響應曲線如圖5所示。 其中，<0對應的是(R2/R1)<0，這在實際中是無法實現(xiàn)的，因為實際中的電阻值 為正，通過Simulink仿真可以解決這一問題。通過仿真實驗，我們在具體實驗箱操作時，可以分別選擇R2=0 k,140 k,200 k 和400 k進行實際實驗操作。這樣可以更好地實現(xiàn)“理論指導實踐，實踐反映理論”的 目的。例3. 某一直流RC電路結構及參數(shù)如下。求當開關閉合后，電容電壓和電流的暫態(tài)過程。設定直流電壓設定Breaker設定R=5 設定C=150uF雙擊示波器，點選Parameters，在Numbe