毕业设计（论文）-MATLAB在自动控制中的应用.docVIP

实习报告- 34 - 实习者：刘帅辉班 级：自043学 号：11指导老师：杜艳丽实习时间：2007-7-6目 录1、实习任务 32、实习内容.43、实习要求31、熟悉matlab软件.1032、建立simulink模块并仿真.2533、运用matlab进行编程.274、试验结果.335、心得体会.346、参考文献.341 实习任务1.1 熟悉软件通过一周的实习时间，对matlab有所了解，并能简单的进行数值计算和处理。熟悉matlab在自动控制中的应用技巧，学会运用matlab对自动控制中的相关系统进行定性分析，便于工程控制与设计。并能通过简单的比较，判断出系统整体的优越性和局限性，适当的进行修整和调节。1.2 学会仿真学会通过简单的自动控制模块，建立具有一定功能的控制系统，并借助仿真确定参数的优劣性，同时通过改变参数来确定最优参数。实现自动控制的最简设计，提高工作效率，降低成本。1.3 编程思想在理解simulink仿真的基础上将系统仿真的实现思想，通过matlab的编程语言体现出来，并比较两者在控制思想和控制算法上的差别和联系。更深层的理解matlab的运算方式，利于将来的实际应用中，同时将所学内容和实际控制联系起来，通过仿真从理论上对现实进行指导，借助现实控制中的控制理念对仿真进行调整，达到有机结合。本实习意将所拥有的软件充分利用上，并将其有机的与现学内容达成优势互补。同时进一步提升学生的学习兴趣，能够通过简单的软件仿真，加深对本专业的控制思想和理念的理解。2 实习内容2.1 matlab概况matlab是矩阵实验室（matrixlaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用matlab来解算问题要比用c,fortran等语言完相同的事情简捷得多。 当前流行的matlab5。3/simulink3。0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充matlab的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。 开放性使matlab广受用户欢迎。除内部函数外,所有matlab主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。 2.2 历史背景在70年代中期,clevemoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用eispack和linpack的fortran子程序库。eispack是特征值求解的foetran程序库,linpack是解线性方程的程序库。在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。 到70年代后期,身为美国newmexico大学计算机系系主任的clevemoler,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用eispack和linpack程序库,但他发现学生用fortran编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写eispack和linpack的接口程序。clevemoler给这个接口程序取名为matlab,该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里,matlab在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传。1983年春天,clevemoler到standford大学讲学,matlab深深地吸引了工程师johnlittle。johnlittle敏锐地觉察到matlab在工程领域的广阔前景。同年,他和clevemoler,stevebangert一起,用c语言开发了第二代专业版。这一代的matlab语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。1984年,clevemoler和johnlittle成立了mathworks公司,正式把matlab推向市场,并继续进行matlab的研究和开发。在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类。一类是数值计算型软件,如atlab,xmath,gauss等,这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,mathematica,maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解,其缺点是处理大量数据时效率较低。mathworks公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件atlab。经过多年的国际竞争,matlab以经占据了数值软件市场的主导地位。在matlab进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以fortranc语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。matlab的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在matlab问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在matlab上重建。mathworks公司1993年推出了matlab4。0版，1995年推出4。2c版（forwin3。x）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。matlab5。x较matlab4。x无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和pdf格式，在netscape3。0或ie4。0及以上版本，acrobatreader中可以方便地浏览。时至今日，经过mathworks公司的不断完善，matlab已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，matlab已经经受了多年考验。在欧美等高校，matlab已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，matlab被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，matlab一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在matlab里找到合适的功能。2.3 语言特点一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同fortran和c等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的matlab，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。matlab最突出的特点就是简洁。matlab用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了c和fortran语言的冗长代码。matlab给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下matlab的主要特点。1）、语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。matlab程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用matlab进行科技开发是站在专家的肩膀上。具有fortran和c等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用fortran或c语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试动不容易。即使有部分源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方程的程序用fortran和c这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。以下用matlab编写以上两个小程序的具体过程。matlab求解下列方程，并求解矩阵a的特征值。ax=b,其中：a=32134567 23798512 43235465 98347135 b=1 2 3 4 解为：x=ab;设a的特征值组成的向量e，e=eig（a）。 可见，matlab的程序极其简短。更为难能可贵的是，matlab甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，matlab会根据矩阵的特性选择方程的求解方法，所以用户根本不用怀疑matlab的准确性。2）、运算符丰富。由于matlab是用c语言编写的，matlab提供了和c语言几乎一样多的运算符，灵活使用matlab的运算符将使程序变得极为简短。3）、matlab既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。4）、程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在matlab里，用户无需对矩阵预定义就可使用。5）、程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。6）、matlab的图形功能强大。在fortran和c语言里，绘图都很不容易，但在matlab里，数据的可视化非常简单。matlab还具有较强的编辑图形界面的能力。7）、matlab的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于matlab的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。8）、功能强大的工具箱是matlab的另一特色。matlab包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signl processing toolbox、commumnication toolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。9）、源程序的开放性。开放性也许是matlab最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有matlab的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。matlab（matrixlaboratory）自1984年问世以来，历经了实践的检验、市场的筛选和时间的凝练，现在已经成为广大科研工作者、高校师生最常用和最可信赖的仿真软件。matlab的影响表现在两方面：传统分析方法、设计程式和教材内容在matlab平台上可以处理得更为简捷、精确和生动多彩；新的分析方法、设计程式和教材内容正在matlab的推动下不断地萌发。3 实习要求3.1 熟悉matlab软件3.1.1 数值运算1）、等差元素向量生成演示 x1=1:2:9运行结果为：x1 = 1 3 5 7 9 x2=linspace(10,-2,5)运行结果为：x2 =10 7 4 1 -22）、数组相除运算演示 a=1 3 5;2 4 6;3 5 7; b=2 4 6;1 3 5;3 5 7; c=a.bc = 2.0000 1.3333 1.2000 0.5000 0.7500 0.8333 1.0000 1.0000 1.0000 c=a./bc = 0.5000 0.7500 0.8333 2.0000 1.3333 1.20001.0000 1.0000 1.00003）、求象函数的拉氏反变换。 syms t s; fs11=2/(s+1)-1/(s+2); fs12=1/(s+1)-1/(s+2); fs21=-2/(s+1)+2/(s+2); fs22=-1/(s+1)+2/(s+2); fs=fs11,fs12;fs21,fs22; mt=ilaplace(fs) mt = 2*exp(-t)-exp(-2*t), exp(-t)-exp(-2*t) -2*exp(-t)+2*exp(-2*t), -exp(-t)+2*exp(-2*t)即：4）、求解方程组 a,u,v=solve(a*u2+v2,u-v=1,a2-5*a+6) a = 2 2 3 3 u = 1/3+1/3*i*2(1/2) 1/3-1/3*i*2(1/2) 1/4+1/4*i*3(1/2) 1/4-1/4*i*3(1/2) v = -2/3+1/3*i*2(1/2) -2/3-1/3*i*2(1/2) -3/4+1/4*i*3(1/2) -3/4-1/4*i*3(1/2)3.1.2 图形显示matlab软件不同于其他数学软件的一大特点就是，它除了具有绘制一般图形的功能外，还可以绘制较为复杂的三维图形，这也是它得以普及的一个原因。1）、绘制简单二维图形plot(inv(hilb(12)plot(inv(hilb(12)2）、绘制三维图形 x,y=meshgrid(-16:0.5:16); r=sqrt(x.2+y.2)+eps; z=sin(r)./r; surf(x,y,z)运行后得到的曲面如图所示：3）、电气工程中的应用（此种应用多采用m文件的编程方式，运用较为简便）1、半波整流器电路的仿真%半波整流clear;clc,clfclf可以清除图形窗口中的图形pi=3。14159265;vp=10;%循环命令for i=1:1:101 t(i)=(i-1)*6*pi/100; vi(i)=vp*sin(t(i); if vi(i)=0。7 vo(i)=vi(i)-0。7; else vo(i)=0; endendplot(t,vi,t,vo,*);grid on;axis(0 6*pi-vp vp);xlabel(t);ylabel(vin and vout);title(半波整流器);legend(原波形,整流波形);运行后图形如下：2、全波整流器电路的仿真%全波整流器clear;clc;close;pi=3。14159265;vp=10;%循环命令for i=1:1:601; t(i)=(i-1)*6/600; vi(i)=vp*sin(t(i); if 0。5*vi(i)-0。7 vo(i)=0。5*vi(i)-0。7; else vo(i)=0; end if 0。5*vi(i)a(i) t=a(j); a(j)=a(i); a(i)=t; end endenda运行结果如下：k a=10 -6 2;k returna =10 2 -63.1.4 创建m文件1、创建m文件并命名为xueshengchengjiguanli.m学生成绩管理for i=1:10 ai=89+i; bi=79+i; ci=69+i; di=59+i;endc=d,c;name=jack,marry,peter,rose,tom;%元胞数组mark=72,83,56,94,100;rank=cell(1,5);%创建一个含5个元素的元胞数组s，它有三个域s=struct(name,name,marks,mark,rank,rank);%根据学生的分数，求出相应的等级for i=1:5 switch s(i).marks case 100 s(i).rank=满分; case a s(i).rank=优秀; case b s(i).rank=良好; case c s(i).rank=及格; otherwise s(i).rank=不及格; endend%将学生姓名，得分，登记等信息打印出来disp(学生姓名,得分, 等级);disp()for i=1:5; disp(s(i).name,blanks(6),num2str(s(i).marks),blanks(6),s(i).rank);end点击编辑调试器的菜单，运行，结果：学生姓名得分 等级jack 72 及格marry 83 良好peter 56 不及格rose 94 优秀tom 100 满分也可以通过在matlab编辑器中键入xueshengchengjiguanli如下：xueshengchengjiguanli学生姓名得分 等级jack 72 及格marry 83 良好peter 56 不及格rose 94 优秀tom 100 满分2、运用while语句计算所有小于1000的fribonnaci数。用while语句求所有小于1000的fribonnaci数 f=1,1;i=1;while f(i)+f(i+1) name 姓名：刘帅辉 性别：男 年龄：25 班级：自04-3 学号：11 学院：电气信息工程学院 专业：自动化 fenshu 高数：89 拖动：93 现控：92 英语：80 short short：lsh xueshengchengjiguanli学生姓名得分 等级jack 72 及格marry 83 良好peter 56 不及格rose 94 优秀tom 100 满分3.2 simulink仿真3.2.1 闭环pid控制闭环传递函数为：，建立闭环pid控制系统如下：设定仿真时间为30s，逐步调节pid各参数使仿真图形中上升时间短，超调量小，稳态误差小。最终确定pid各参数值分别为：kp15，ki4.8，kd10，仿真图形如下图：3.2.2 电气仿真控制构建下图所示的rc电路，直流电源10v，电阻，。需要观察：1、流过电阻的电流波形；2、电容器端电压波形。仿真运行后，在matlab命令窗口中键入如下命令： plot(dc_vc);xlabel(时间t/ms),ylabel(电流i/a 电压uc/v);gridtitle(交流电压源电路中电流和电阻端电压波形)3.3 matlab编程3.3.1 增量式pid控制算法pid控制算式为：式中，u（k）为控制的输出；e（k）为k时刻的偏差；kp、ki、kd分别为pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数。pid控制算法clear all;close all;ts=0.1;sys=tf(1,1,3,1);dsys=c2d(sys,ts,z);num,den=tfdata(dsys,v);u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;x=0,0,0;error_1=0;error_2=0;for k=1:1:300 time(k)=k*ts; rin(k)=1; kp=3; ki=0.12; kd=0.1; du(k)=kp*x(1)+ki*x(2)+kd*x(3); u(k)=u_1+du(k); if u(k)=10 u(k)=10; end if u(k)=-10 u(k)=-10; end yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2+num(2)*u_1+num(3)*u_2; error=rin(k)-yout(k); u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); x(1)=error-error_1; % p x(2)=error; % i x(3)=error-2*error_1+error_2; % d error_2=error_1; error_1=error;endplot(time,rin,b,time,yout,r);xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);运用以上编程控制方法，也可以很好的达到控制目的。由于控制算法的不同最终控制各参数的值也不尽相同。simulink仿真和编程仿真控制pid各参数分别为15、4.8、10和3、0.12、0.1。但最终都实现了较好的控制效果。通过这两种不同仿真方式，可以很明显的看出运用simulink的效果更好一些，自行分析问题认为pid控制算法和控制思想不尽完善。3.3.2 个人图像信息动态显示function flames%flames creates an animation of the mathworks logo rising through flames% copyright (c) 1984-2000 by the mathworks, inc.% $revision: 1.4 $figure(menubar,none,numbertitle,off,name,demo,userdata,1);set(gcf,doublebuffer,on,renderer,painters,resize,off);menu1 = uimenu(label,&file);menu12 = uimenu(menu1,label,&open);menu13 = uimenu(menu1,label,e&xit);menu2 = uimenu(label,&edit);menu22 = uimenu(menu2,label,&cut);menu3 = uimenu(label,&liu shuai hui);menu31 = uimenu(menu3,label,&liu);menu32 = uimenu(menu3,label,&shuai);menu33 = uimenu(menu3,label,&hui);%only function calls are allowed in the c/c+ graphics library callbacks set(menu12,callback,set(gcf,name,););set(menu13,callback,set(gcf,userdata,););x=;load ranshao.mat xa,b = size(x);x = ones(a,b)*.001;x(end,:) = 203;x(end-1,:) = 140;x(end-2,:) = 60;theimage = image(x);set(theimage,cdatamapping,direct);colormap(hot(280);0 0 0);axis off;axis image;set(gca,ylim,1 size(x,1)-2);set(gca,units,pixels,position,15 15 3.5*a+40 3.5*b+40);thesize = get(0,screensize);set(gcf,units,pixels,position,. (thesize(3)-(4*a+90)/1.5 (thesize(4)-(3.5*b+120)/1.5 (3.5*a+70) (3.5*b+80),. color,0 0 0);animate_it(theimage,x);%all figures must be closed for a c/c+ graphics library%application to exitclose all;function animate_it(theimage,thelogo);%the algorithm used takes the last image used and based on a pixel-by-pixel%basis deterime the next image. it uses the following rule for pixel x: that%the new pixel value is based on the old value plus the two pixels below and %the two pixels two down and one to the right and left. add in a bit of %randomness, normalize the matrix to one, and where ever the picture%is 1, set that pixel to one.x = get(theimage,cdata);a,b = size(x);%pre-allocation of matricies speed up loopsthezeros = zeros(a,1);thezeros2 = zeros(1,b);theones = ones(1,b);therand = rand(a,b);thelogical = thelogo(1:end,:);%this loop causes the logo to rise.for i = 1:a-1 if isempty(get(gcf,userdata) therand = therand(3:end,:);therand(1:2,:); movedup = x(2:end,:);theones; movedup2 = movedup(2:end,:);theones; upandleftandright = (movedup2(:,2:end),thezeros) + . (thezeros,movedup2(:,1:end-1); thetemp = therand .* x*0.8; x = thetemp + thetemp + movedup + upandleftandright + movedup2 ; x = x ./ max(max(x); x(zeros(a-i-1,b);thelogo(1:i+1,:)=1) = 1; set(theimage,cdata,x.*210); drawnow; endend%this while loop just keeps cycling the flames until the wind