控制系統(tǒng)與仿真論文

1、 控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計題 目： 控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 本電氣 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 成 績： 摘要 針對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計很大程度上還依賴于實際系統(tǒng)的反復(fù)實驗、調(diào)整的普遍現(xiàn)象，結(jié)合具體的設(shè)計實例，介紹了利用較先進的MATLAB軟件中SIMULINK仿真工具來實現(xiàn)對自動控制系統(tǒng)建模、分析與設(shè)計、仿真的方法。它能夠直觀、快速地分析系統(tǒng)的動態(tài)性能、和穩(wěn)態(tài)性能。并且能夠靈活的改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過快速、直觀的仿真達到系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵詞： MATLAB；自動控制；系統(tǒng)仿真 目錄目錄.3引言.41、 概述.52、 內(nèi)容.7 1 設(shè)計的目的.7 2

2、設(shè)計題目及要求.73、 總結(jié).124、 參考文獻.14引言MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，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，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Matlab是一種高效的科學(xué)及工程計算語言，它將計算、可視化和編程等功能集于一體，通過方程模型的建立廣泛地應(yīng)用于數(shù)學(xué)分析、計算、自動控制、系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、圖像處理、數(shù)理統(tǒng)計、人工智能、通信工程和金融系統(tǒng)等領(lǐng)域。通過方程模型的建立主要應(yīng)用于圖像處理、電子信息、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化計算、系

3、統(tǒng)識別、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)計算。 一、概述1 SIMULINKSIMULINK是一種強有力的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下以最小的代價來模擬真實動態(tài)系統(tǒng)的運行。SIMULINK準(zhǔn)備有數(shù)百種福定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進的有效積分算法和直觀的圖示化工具。依托SIMULINK強健的仿真能力，用戶在原型機制造之前就可建立系統(tǒng)的模型，從而評估設(shè)計并修復(fù)瑕疵。SIMULINK具有如下的特點：（1） 建立動態(tài)的系統(tǒng)模型并進行仿真。SIMULINK是一種圖形化的仿真工具，用于對動態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究制定。由于支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，SIMULINK幾乎可分析任何一

4、種類型的真實動態(tài)系統(tǒng)。（2） 以直觀的方式建模。利用SIMULINK可視化的建模方式，可迅速地建立動態(tài)系統(tǒng)的框圖模型。只需在SIMULINK元件庫中選出合適的模塊并施放到SIMULINK建模窗口，鼠標(biāo)點擊連 續(xù) 就可以了。SIMULINK標(biāo)準(zhǔn)庫擁有超過150中，可用于構(gòu) 成 各 種 不同種類的動態(tài)模型系統(tǒng)。模塊包括輸入信號源、動力學(xué)元件、代數(shù)函數(shù)和非線性函數(shù)、數(shù) 據(jù) 顯示 模 塊等。SIMULINK模塊可以被設(shè)定為觸發(fā)和使能的，用于模擬大模型系統(tǒng)中存在條件作用的子模型的行為。（3）增添定制模塊元件和用戶代碼。SIMULINK模塊庫是可制定的，能夠擴展包容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。用戶也可以修改

5、已有模塊的圖標(biāo)，重新設(shè)定對話框，甚至換用其他形式的彈出菜單和復(fù)選框。SIMULINK允許用戶吧自己編寫的C、FORTRAN、Ada代碼直接植入SIMULINK模型中。（4）快速、準(zhǔn)確地進行設(shè)計模擬。SIMULINK優(yōu)秀的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來了極高的精度。先進的常微分方程求解器可用于求解剛性和非剛性的系統(tǒng)、具有時間觸發(fā)或不連續(xù)的系統(tǒng)和具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)。SIMULINK的求解器能確保連續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真速度、準(zhǔn)確地進行。同時，SIMULINK還未用戶準(zhǔn)備一個圖形化的調(diào)試工具，以輔助用戶進行系統(tǒng)開發(fā)。（5）分層次的表達復(fù)雜系統(tǒng)。SIMULINK的分級建模能力使得體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型構(gòu)

6、建也簡便易行。根據(jù)需要，各種模塊可以組織成若干子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，整個系統(tǒng)可以按照自定向下或自底向上的方式搭建。子模型的層次數(shù)量完全取決于所構(gòu)建的系統(tǒng)，不受軟件本身的限制。為方便大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的操作，SIMULINK還提供了模型結(jié)構(gòu)瀏覽的功能。（6）交互式的仿真分析。SIMULINK的示波器可以動畫和圖像顯示數(shù)據(jù)，運行中可調(diào)整模型參數(shù)進行What-if分析，能夠在仿真運算進行時監(jiān)視仿真結(jié)果。這種交互式的特征可以幫助用戶快速的評估不同的算法，進行參數(shù)優(yōu)化。由于SIMULINK完全集成于MATLAB，在SIMULINK下計算的結(jié)果可以保存到MATLAB工作空間之中，因而就能使用MATLAB所具有

7、的眾多分析、可視化及工具箱工具操數(shù)據(jù)。 二、內(nèi)容1、設(shè)計任務(wù)目的 （1）加強對控制系統(tǒng)的認識，掌握工程設(shè)計的方法。 （2）通過碎系統(tǒng)的單元，部件及系統(tǒng)的調(diào)試，提高實際技能，培養(yǎng)分析問題的能力。 （3）掌握應(yīng)用計算機對系統(tǒng)進行仿真的方法。 （4）培養(yǎng)編制技術(shù)總結(jié)報告的能力。2、 設(shè)計題目及要求 1利用SIMULINK仿真來實現(xiàn)攝氏溫度到華氏溫度的轉(zhuǎn)化：（范圍在-10100）2 已知系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，繪制其單位負反饋系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，并判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（注：分別以指令方式完成和simulink環(huán)境下建模仿真。）指令方式：n1=10;d1=1 1 0;G

8、1=tf(n1,d1);n2=2 0;d2=1;G2=tf(n2,d2);G12=feedback(G1,G2)n3=1 1;d3=1 0;G3=tf(n3,d3);G123=series(G12,G3);G=feedback(G123,1);roots(G.den1);pzmap(G)3某控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，編程實現(xiàn)如下要求。（1）利用MATLAB建立上述控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；（2）繪制開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist曲線；（3）判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如不穩(wěn)定，繪制閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡點圖；（4）繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。n1=1;d1=1 10;G1=tf(n1,d1);n2=1;d2=3 1

9、;G2=tf(n2,d2);n3=1;d3=1 0;G3=tf(n3,d3);G12=series(G1,G2);G123=series(G12,G3);G=feedback(G123,-1);subplot(221)bode(G)subplot(222)nyquist(G)subplot(223) step(G)subplot(224)pzmap(G)rlocus(G)得：如圖（2）示波器顯示如圖（3）如圖（2）示波器顯示如圖（3） 三、總結(jié) 仿真結(jié)果表明，SIMULINK 仿真軟件具有可視化建模和圖形輸出的能力，用它進行仿真，可以大大減小編程量。 SIMULINK是一個對動態(tài)系統(tǒng)

10、（包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)）進行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，是MATLAB的一個附加組件，其特點是模塊化操作、易學(xué)易用，而且能夠使用MATLAB提供的豐富的仿真資源。在SIMULINK環(huán)境中，用戶不僅可以觀察現(xiàn)實世界中非線性因素和各種隨機因素對系統(tǒng)行為的影響，而且也可以在仿真進程中改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化。對于電氣類專業(yè)的學(xué)生來說，無論是學(xué)習(xí)專業(yè)課程或者相關(guān)課程設(shè)計還是在今后的工作中，掌握SIMULINK，就等于是有了一把利器。基于SIMULINK的系統(tǒng)仿真模型具有很強的開放性和可移植性，可以形成直觀的仿真模型，模型搭建高效、快捷，對仿真系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化控制及工

11、況的預(yù)測具有重要意義。 通過MATLAB仿真實訓(xùn)使我學(xué)習(xí)掌握了許多知識。首先是對MATLAB有了一個全新的認識，其次是對MATLAB的更多操作和命令的使用有了更高的掌握，最重要的事對MATLAB的處理能力有了一個更高的飛躍尤其是對相關(guān)函數(shù)的使用及相關(guān)問題的處理。在實訓(xùn)過程中，把已經(jīng)遺忘了的MATLAB重新拾起，讓我重新找到當(dāng)初學(xué)MATLAB時的熱情，也在這過程中，發(fā)現(xiàn)了很多問題，通過跟同學(xué)跟老師一起探討，問題得以解決。完成這次的MATLAB實訓(xùn)后，我又一次鍛煉了自己的思維.它學(xué)起來得心應(yīng)手也讓我明白了學(xué)習(xí)一門語言對學(xué)習(xí)其他語言的幫助指導(dǎo)作用.同時,它也加強了我理論聯(lián)系實際的能力.這是一個專業(yè)課的基礎(chǔ)工具,學(xué)好它是必要的?？傊@次實訓(xùn)我的得到了很多，也實