MATLAB實(shí)習(xí)報(bào)告參考模板

1、電氣信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)報(bào)告課題名稱(chēng)：基于MATLAB的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 姓 名： 曾 濤 班級(jí)學(xué)號(hào)： 08級(jí)1班33號(hào) 指導(dǎo)教師： 劉英暉 成 績(jī)： 二一一年六月二十四日 目錄1 / 131 MATLAB簡(jiǎn)介11.1 MATLAB的特點(diǎn)11.2 MATLAB的功能11.3 MATLAB語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)22 計(jì)算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的目的23 過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)23.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的性能分析23.2 PID控制器的設(shè)計(jì)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(jì)83.3.1 Smit

2、h預(yù)估補(bǔ)償器的基本原理83.3.2 仿真及結(jié)果分析84 計(jì)算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的心得體會(huì)95 參考文獻(xiàn)101 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是美國(guó)math works公司推出的一個(gè)高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶(hù)環(huán)境。 MATLAB的推出得到了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。由各個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者相繼推出了MATLAB工具箱，其中控制類(lèi)的主要有信號(hào)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(guān)、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作，從而大大節(jié)省了時(shí)間，并能很快地設(shè)計(jì)

3、出更多的解決方案來(lái)確保未來(lái)更多的技術(shù)需要。MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 兩詞的前三個(gè)字母組合而成。20世紀(jì)七十年代后期時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)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(dòng)機(jī)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了用FORTRAN編寫(xiě)的萌芽狀態(tài)的MATLAB。經(jīng)幾年的校際流傳，在Little的推動(dòng)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(chǎng)。1.1 MATLAB的特點(diǎn)功能強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊先進(jìn)的資料視覺(jué)化功能 開(kāi)放及可延伸的架構(gòu)豐富的程式工具箱移植性和開(kāi)放性好語(yǔ)句簡(jiǎn)

4、單，內(nèi)涵豐富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(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。1.3 MATLAB語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)用MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)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(wàn)能的，科學(xué)的數(shù)學(xué)運(yùn)算“演算紙”，又像一種萬(wàn)能的計(jì)算器一樣方便快捷。MATLAB大大降低了對(duì)使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言知識(shí)的要求，即使用戶(hù)不懂C或FORTRAN這樣的程

5、序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也可使用MATLAB輕易地再現(xiàn)C或FORTRAN語(yǔ)言幾乎全部的功能，從而設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大，界面好，穩(wěn)定可靠的程序，編程效率和計(jì)算效率極高。2 計(jì)算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的目的（1）、熟悉MATLAB語(yǔ)言的使用，學(xué)習(xí)并掌握程序的編寫(xiě)和調(diào)試過(guò)程。（2）、采用MATLAB完成控制系統(tǒng)的建立、分析和設(shè)計(jì)仿真，了解和掌握MATlAB對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的原理。3 過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 過(guò)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(duì)系統(tǒng)性能的影響：當(dāng)過(guò)程控制系統(tǒng)存在大純延遲環(huán)節(jié)時(shí)，會(huì)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

6、是，當(dāng)延遲時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，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(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定性較差，需要通過(guò)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速。3.2 PID控制器的設(shè)計(jì)3.2.1 PID控制器的基本原理PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)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(jiǎn)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(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID

7、反饋回路卻可以保持系統(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(lái)控制當(dāng)前，誤差值和一個(gè)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(shí)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(shuō)，一個(gè)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(shí)候會(huì)輸出100%，在15C的時(shí)候會(huì)輸出50%，在19C的時(shí)候輸出10，注意在誤差是0的時(shí)候，控制器的輸出也是0。積分環(huán)節(jié) - 來(lái)控制過(guò)去，誤差值是過(guò)去一段

8、時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。I從過(guò)去的平均誤差值來(lái)找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個(gè)簡(jiǎn)單的比例系統(tǒng)會(huì)振蕩，會(huì)在預(yù)定值的附近來(lái)回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無(wú)法消除多余的糾正。通過(guò)加上一個(gè)負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會(huì)總是減少。所以，最終這個(gè)PID回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來(lái)。微分環(huán)節(jié) - 來(lái)控制將來(lái)，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。這個(gè)導(dǎo)數(shù)的控制會(huì)對(duì)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(duì)輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。這個(gè)D參數(shù)也是PID被稱(chēng)為可預(yù)測(cè)的控制器的原因。D參數(shù)對(duì)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

9、需要D參數(shù)。 用更專(zhuān)業(yè)的話(huà)來(lái)講，一個(gè)PID控制器可以被稱(chēng)作一個(gè)在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點(diǎn)在計(jì)算它是否會(huì)最終達(dá)到穩(wěn)定結(jié)果時(shí)很有用。如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會(huì)反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無(wú)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(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)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(shí)間常數(shù) TD微分時(shí)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(shí)間T到最大值（T=），微分時(shí)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

10、） 待系統(tǒng)運(yùn)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(guò)程。記錄下此時(shí)的比例帶，并計(jì)算兩個(gè)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(jì)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(duì)比圖象：圖3-7結(jié)論： 由兩者的對(duì)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(hào)，從

11、而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，在調(diào)節(jié)時(shí)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(shì)更明顯。3.3 Smith預(yù)估補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)3.3.1 Smith預(yù)估補(bǔ)償器的基本原理預(yù)先估計(jì)出被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過(guò)程上，使其對(duì)純滯后過(guò)程中特性進(jìn)行補(bǔ)償，力圖將被控延遲時(shí)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(dòng)作，這樣就通過(guò)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(guò)程的超調(diào)量，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)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Smi

12、th預(yù)估器對(duì)比圖圖3-9結(jié)論：由兩者的對(duì)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(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)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(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，所以Smith控制器的優(yōu)勢(shì)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(xiàn)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(guò),模型參數(shù)變化時(shí)與精確時(shí)輸出響應(yīng)相比,前者又略有不足:當(dāng)模型參數(shù)增大時(shí),輸出響應(yīng)有微小的超調(diào)產(chǎn)生,調(diào)節(jié)時(shí)間縮短一些;當(dāng)模型參數(shù)減小時(shí),系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng),但過(guò)程更平穩(wěn)。程序清單：4 計(jì)算機(jī)仿真課程實(shí)習(xí)的心得體會(huì)在為期一周的實(shí)習(xí)過(guò)程中，我

13、學(xué)到了許多書(shū)本上學(xué)不到的知識(shí)，本以為十分枯燥的設(shè)計(jì)過(guò)程卻讓我得到了很多樂(lè)趣，同時(shí)也讓我懂得了團(tuán)隊(duì)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(duì)需要掌握的知識(shí)還不是十分理解，于是我通過(guò)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(gè)部分的任務(wù)，最終成功地完成了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的分析和改進(jìn)。 一周的實(shí)習(xí)對(duì)我來(lái)說(shuō)，除了知識(shí)的增加和技能的提高，這一過(guò)程也對(duì)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?cè)诶L制圖像的時(shí)候，程序是正確的，但是圖像卻不能仿真出來(lái)，我們分析了很多原因，比如說(shuō)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(wèn)題等

14、，可是問(wèn)題依舊沒(méi)有解決，最后在老師的幫助下才發(fā)現(xiàn)原來(lái)圖像函數(shù)的名稱(chēng)沒(méi)有統(tǒng)一。我覺(jué)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(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)，還需要敢于開(kāi)口向別人請(qǐng)教，更需要我們勤于思考，勤于記憶，勤于動(dòng)手。程序設(shè)計(jì)是實(shí)踐性和操作性很強(qiáng)的事情，需要我們親自動(dòng)手。因此，我們應(yīng)該經(jīng)常自己動(dòng)手實(shí)際操作設(shè)計(jì)程序，熟悉MATLAB的操作，這對(duì)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(duì)我今后的學(xué)習(xí)將會(huì)有很大的幫助，讓我明白不僅要充分的掌握課本上的知識(shí)，而且要活學(xué)活用、學(xué)以致用，不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)基本理論的掌握，而應(yīng)該側(cè)重于基本知識(shí)和實(shí)際的相結(jié)合。 我覺(jué)得，從計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)這門(mén)課程的特點(diǎn)來(lái)看，掌握如何對(duì)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(jì)能力才是本次實(shí)習(xí)的目的