matlab在计算机控制中应用报告

matlab在计算机控制中的应用研究 专业及班级 09自动化1班 姓 名 学 号 授 课 老 师 完 成 时 间 2012年5月26日 摘要: 计算机控制系统是一门理论和实践性都很强的课程。Matlab 这个仿真软件对解决与计算机控制方面的相关问题的研究是非常有用的。本文就如何Matlab 进行计算机控制的相关内容进行了探讨，并重点对计算机控制课程中三个代表性实例进行了分析和介绍，最后就如何深入的将这个软件工具用于计算机控制课程的教学做了一定的展望。Matlab语言编程和Simulink 仿真环境在Z变换、判断系统稳定性、绘制响应曲线和整定数字PID控制器参数等方面的应用, 充分体现了 Matlab直观、方便的特点。如何应用语言编程的方法和直接利用的可视化仿真环境设计模块图的方法来对差分方程、数字滤波进行分析和计算, 用该方法可以非常直观地观察系统响应曲线！关键词: 计算机控制 Matlab 计算机控制技术正文:一、 Matlab的介绍“ 计算机控制技术” 是高校电子电气类专业的专业课程, 其特点是概念抽象, 数学计算量大,而实验是掌握理论知识的重要组成部分, 是更好地实现理论和实际有机结合的桥梁。传统的计算机控制实验一般采用自控实验箱, 在实验箱面板上连接相应的典型环节, 通过示波器观察系统的响应曲线。Mathworks公司推出的Matlab使控制系统的分析和设计变得简单了。Matlab语言编程和Simulink仿真环境是一种分析控制系统性能的有用工具!Matlab语言是集数值计算、符号运算和图形处理等强大功能于一体的科学计算语言, 适用于工程应用领域的分析、设计和复杂计算, 不要求使用者具备高深的数学知识和编程技巧, 现已成为大学教学和科研中最常用的工具。Simulink不但提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台, 而且提供了可视化编程工具, 还提供了开放式编程接口, 使得当系统使用的控制规律较复杂而无法直接用传递函数表达时, 用户可以通过编写函数来实现自己的控制算法, 同时还可以借助模拟示波器将仿真动态结果加以显示, 因此仿真过程十分直观。二、 matlab在计算机控制中的应用2.1、Matlab在采样定理及离散频率特性中的应用采样定理和离散控制系统的频率特性在现有的教科书中，并没有将其有机结合在一起进行讲解，且这两部分都有一定的理论推导。利用Matlab的一个实例对这两个概念进行强化和加深理解。如已知连续传递函数： 求其对应的脉冲传递函数，若设T=0.5s，试绘制式（1）及其对应的脉冲传递函数的频率特性，并分析采样周期的不同对幅频特性的影响。直接得到G(s)的频率特性表达式： 离散环节的频率特性为:利用Matlab 程序绘制幅频特性曲线。求式（1）的连续传递函数及其对应的脉冲传递函数。幅频特性可以利用下面的Matlab 程序完成：程序1 ：Gs=sym(1/(s+1);% 传递函数F(s)T=0.5；numGs,denGs=numden(Gs);% 提取分子分母%将分母转化为一般多项式pnumGs=sym2poly(numGs)；pdenGs=sym2poly(denGs);%Z 变换pnumGz,pdenGz=c2dm(pnumGs,pdenGs,T,zoh);w=0:0.1:19;mag,pha=bode(pnumGs,pdenGs,w);dmag,dpha=dbode(pnumGz,pdenGz,T,w);figure(1);plot(w,mag,blue);hold on;plot(w,dmag,red);Grid on;axis(0,19,0,1.2);同时，将上述程序的采样周期改为T=1，重新执行上述程序，可以得到图1 所示的波形，横坐标为频率，单位为弧度，纵坐标为幅值，进行了单位化。2.2、Matlab/Simulink 在数字PID 控制中的应用PID 的数字控制是计算机控制课程里面比较重要的一部分内容，主要为比例控制对控制性能的影响，对稳态特性的影响，积分控制对控制性能的影响，微分控制对控制性能的影响，利Matlab/Simulink 可以很方便对不同的PID 参数进行仿真，并能图形化显示仿真结果，利于学生进行对比分析。如单输入单输出的计算机控制系统如图2 所示，分析控制器D（z）分别为P、PI、PID 时其对应的控制效果，并分析不同比例系数Kp 对控制性能的影响。针对图2 所示的例子，可用Matlab 进行编程（如程序2 所示）或利用Simulink直接构建仿真模型（如图3 所示）进行仿真，所得结果如图4和图5所示。程序2：G=tf(10,1 3 2);Ts=0.1;Gz=c2d(G,Ts,zoh);z=tf(z);Dz=1+0.069/(1-z(-1)+3.062*(1-z(-1);Dz=tf(Cz);Dz.InputName = e; Dz.OutputName = u;Gz.InputName = u; Gz.OutputName = y;Sum = sumblk(e,r,y,+-);T = connect(Gz,Dz,Sum,r,y)stepplot(T)从图4 所示的不同Kp 的仿真结果看，可以对学生理解Kp对控制性能的影响及对稳态特性的影响。这样对于理解Kp 加大，系统的动作灵敏速度加快，振荡次数增多调节时间加长，但稳态误差减小这些概念有了更为直观的认识。在图5 中可以看到仅有比例（P ）控制稳态误差必然存在，加上积分控制后，可以消除稳态误差。微分控制对于减少调节时间的影响都可在图5 中得到很好的解释。这样图形化的仿真结果对于学生理解并掌握PID 各参数对控制性能的影响将有很大的促进作用。2.3、史密斯预测估计的Matlab仿真应用在工业生产过程控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控对象往往具有不同程度的纯滞后，使被控量不能及时反映系统所承受的扰动，控制难度将随着纯滞后时间占整个过程动态的份额的增加而增加。史密斯预估控制采用的控制思路是：按过程特性设计出一种模型加入到反馈控制系统中以补偿过程的动态特性。其特点是预先估计出在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使滞后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显减小超调量，加速调节过程。实例: 设被控对象为: 此对象为明显的滞后控制对象在PI控制中，取Kp=4，Ki=0.022，假设预测模型精确，阶跃信号取100 ，则利用Simulink 构建史密斯预估控制的仿真模型，如图6 所示。通过图6 可以得到仿真结果如图7 所示。为了对比分析，将图6的史密斯预估控制部分去掉，仅保留PID控制，其控制效果如图8 所示。仿真结果表明，史密斯预估控制比单纯的PID 控制具有更好的控制效果。同时从图8 可以看到单纯利用PID 控制效果会很差。这样可以通过对比图7及图8的图形化的仿真结果理解史密斯预估控制的概念及效果。三、 总结利用Matlab对计算机控制系统的具体实例进行了分析介绍，这几个实例在计算机控制系统的教学中非常有代表性。实质上Matlab 包括的控制系统工具箱非常多。其包含的各种函数基本能够满足我们常见系统以及科研需求。Matlab 还可以应用于其它学科的教学中，如电力电子、信号与系统等多个学科。实质上M a t l a b /Simulink 已经渗透到绝大多数的工科领域，应该成为电气工程类专业本科学生必须掌握的工具之一。结果表明, 提供了高效简洁的编程方法, 具有强大而简易的绘图功能、矩阵和数组运算能力以及很强的扩充性!参考文献1 李正军. 计算机控制系统M. 北京：机械工业出版社.2006年2 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真（第二版）M. 北京：