控制系统与仿真论文

控制系统仿真课程设计 题 目： 控制系统仿真课程设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 本电气 姓 名： 学 号： 指导老师： 成 绩： 摘要 针对自动控制系统的设计很大程度上还依 赖 于 实 际 系 统 的 反 复 实 验 、 调 整 的 普 遍 现 象 ， 结 合 具 体 的 设 计 实 例 ， 介 绍 了 利 用 较先 进的 MATLAB 软 件 中 SIMULINK 仿真工具来实现对自动控制系统建 模、分析与 设 计 、 仿 真 的 方 法 。 它 能 够 直 观 、 快 速 地 分 析 系 统 的 动 态 性 能 、 和 稳 态 性 能 。 并 且 能够灵活的改变系统的结构和参数，通 过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。 关 键 词 ： MATLAB；自 动 控 制 ； 系 统 仿 真 目录 3 目录.3 引言4 1、 概述.5 2、 内容.7 1 设计的目的7 2 设计题目及要求.7 3、总结12 4、参考文献.14 引言 MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包 括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。Matlab 是一种高效的科学及工 程计算语言，它将计算、可视化和编程等功能集于一体，通过方程 模型的建立广泛地应用于数学分析、计算、自动控制、系统仿真、 数字信号处理、图像处理、数理统计、人工智能、通信工程和金融 系统等领域。通过方程模型的建立主要应用于图像处理、电子信息、 神经网络、优化计算、系统识别、系统仿真、数据计算。 5 一、概述 1 SIMULINK SIMULINK 是一种强有力的仿真工具，它能让使用者在图形方式下 以最小的代价来模拟真实动态系统的运行。SIMULINK 准 备 有 数 百 种 福 定 义 的 系 统 环 节 模 型 、 最先进的有效积分算法和直观的图示 化工具。依托 SIMULINK 强健的仿真能力，用户在原型机制造之前 就可建立系统的模型，从 而 评 估 设 计 并 修 复 瑕 疵 。 SIMULINK 具有 如下的特点： （1）建立动态的系统模型并进行仿真。SIMULINK 是一种图形化的 仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。由于支持 线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构，SIMULINK 几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。 （2）以直观的方式建模。利用 SIMULINK 可视化的建模方式，可迅 速地建立动态系统的框图模型。只需在 SIMULINK 元件库中选出合 适的模块并施放到 SIMULINK 建模窗 口 ， 鼠 标 点 击 连 续 就 可 以 了 。 SIMULINK 标准库拥有超过 150 中 ， 可 用 于 构 成 各 种 不同种类的动态 模型系统。模块包括输入信号源、动力学元件、代数函数和非线性 函 数 、 数 据 显 示 模 块 等 。 SIMULINK 模 块 可 以 被 设 定 为 触 发 和 使 能 的 ， 用 于 模 拟 大 模 型系统中存在条件作用的子模型的行为。 （3）增添定制模块元件和用户代码。SIMULINK 模块库是可制定的， 能够扩展包 容用户自定义的系统环节模块。用户也可以修改已有模块的图标， 重新设定对话框，甚至换用其他形式的弹出菜单和复选框。 SIMULINK 允许用户吧自己编写的 C、FORTRAN、Ada 代码直接植入 SIMULINK 模型中。 （4）快速、准确地进行设计模拟。SIMULINK 优秀的积分算法给非 线性系统仿真带来了极高的精度。先进的常微分方程求解器可用于 求解刚性和非刚性的系统、具有时间触发或不连续的系统和具有代 数环的系统。SIMULINK 的求解器能确保连续系统或 离 散 系 统 的 仿 真 速 度 、 准 确 地 进 行 。 同 时 ，SIMULINK 还未用户准备一个图形化的调试工 具，以辅助用户进行系统开发。 （5）分层次的表达复杂系统。SIMULINK 的分级建模能力使得体积 庞大、结构复杂的模型构建也简便易行。根据需要，各 种 模 块 可 以 组 织 成 若 干 子 系 统 。 在此基础上，整个系统可以按照自定向下或自 底向上的方式搭建。子模型的层次数量完全取决于所构建的系统， 不受软件本身的限制。为方便大型复杂结构系统的操作，SIMULINK 还提供了模型结构浏览的功能。 （6）交互式的仿真分析。SIMULINK 的示波器可以动画和图像显示 数据，运行中可调整模型参数进行 What-if 分析，能够在仿真运算 进行时监视仿真结果。这种交互式的特征可以帮助用户快速的评估 不同的算法，进行参数优化。由于 SIMULINK 完 全 集 成 于 MATLAB， 在 SIMULINK 下计算的结果可以保存到 MATLAB 工作空间之中，因而 7 就能使用 MATLAB 所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操数据。 二、内容 1、设计任务目的 （1）加强对控制系统的认识，掌握工程设计的方法。 （2）通过碎系统的单元，部件及系统的调试，提高实际技能，培 养分析问题的能力。 （3）掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 （4）培养编制技术总结报告的能力。 2、设计题目及要求 1利用 SIMULINK 仿真来实现摄氏温度到华氏温度的转化： （ 范围在-10100）359cfTc 2已知系统的动态结构图模型，绘制其单位负反馈系统的单位阶跃 响应曲线，并判断闭环系统的稳定性。（注：分别以指令方式完成 和 simulink 环境下建模仿真。） 9 指令方式： n1=10;d1=1 1 0;G1=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某控制系统结构图如图所示，编程实现如下要求。 （1）利用 MATLAB 建立上述控制系统的数学模型； （2）绘制开环系统的 Bode 图和 Nyquist 曲线； （3）判断系统的稳定性，如不稳定，绘制闭环系统的根轨迹点图； （4）绘制系统的阶跃响应曲线。 11 n1=1;d1=1 10;G1=tf(n1,d1); n2=1;d2=3 1;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：如图（2） 示波器显示如图（3） 如图（2） 示波器显示如图（3） 三、总结 仿真结果表明，SIMULINK 仿真软件具有可视化建模和图形输出 的能力，用它进行仿真，可以大大减小编程量。 SIMULINK 是一个对动态系统（包括连续系统、离散系统和混 合系统）进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，是 MATLAB 的一 13 个附加组件，其特点是模块化操作、易学易用，而且能够使用 MATLAB 提供的丰富的仿真资源。在 SIMULINK 环境中，用户不仅可 以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响， 而且也可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为 的变化。对于电气类专业的学生来说，无论是学习专业课程或者相 关课程设计还是在今后的工作中，掌握 SIMULINK，就等于是有了一 把利器。基于 SIMULINK 的系统仿真模型具有很强的开放性和可移植 性，可以形成直观的仿真模型，模型搭建高效、快捷，对仿真系统 的设计、优化控制及工况的预测具有重要意义。 通过MATLAB 仿真实训使我学习掌握了许多知识。首先是 对 MATLAB 有了一个全新的认识，其次是对 MATLAB 的更多操作和命 令的使用有了更高的掌握，最重要的事对 MATLAB 的处理能力有了一 个更高的飞跃尤其是对相关函数的使用及相关问题的处理。在实训 过程中，把已经遗忘了的 MATLAB 重新拾起，让我重新找到当初学 MATLAB 时的热情，也在这过程中，发现了很多问题，通过跟同学跟 老师一起探讨，问题得以解决。完成这次的 MATLAB 实训后，我又一 次锻炼了自己的思维.它学起来得心应手也让我明白了学习一门语言 对学习其他语言的帮助指导作用.同时,它也加强了我理论联系实际 的能力.这是一个专业课的基础工具,学好它是必要的。总之，这次 实训我的得到了很多，也实