计算机仿真技术论文

华东交通大学理工学院INSTITUTEOFTECHNOLOGYEASTCHINAJIAOTONGUNIVERSITY计算机仿真技术论文题目MATLAB在控制系统中的应用分院电信分院专业电气工程及其自动化班级学号学生姓名指导教师MATLAB在控制系统中的应用摘要本文主要介绍了MATLAB在控制系统仿真中的重要作用。利用MATLAB提供的模块及简单命令可以方便、快速的对自动控制系统的设计对象进行各种参数计算，及仿真控制系统的响应曲线。关键词自动控制系统MATLAB1,引言自动控制技术已广泛应用于工业、农业、交通运输、航空航天等多个领域，极大的提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富与提高了人们的生活水平。在当今的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明的进步做出了重要的贡献。现在比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB。由于MATLAB的使用极其容易，不要求使用者具备高深的数学与程序语言的知识，不需要使用者深刻了解算法与编程技巧，且提供了丰富的矩阵处理功能，所以受到了广大学生和科研工作者的青睐。使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的SIMULINK工具箱对其进行计算机仿真研究。2，控制系统时域分析性能指标为了保证生产设备的安全经济运行，在设计自动控制系统时，必须给出明确的系统性能指标，即控制系统的稳定性、准确性和快速性指标。通常用这三项技术指标来综合评价一个系统的控制水平。对于一个稳定的控制系统，定量衡量性能的好坏有以下几个性能指标（1）峰值时间TP；（2）调节时间TS；（3）上升时间TR；（4）超调量MP。怎样确定控制系统的性能指标是控制系统的分析问题；怎样使自动控制系统的性能指标满足设计要求是控制系统的设计与改造问题。在以往进行设计时，都需要通过性能指标的定义徒手进行大量、复杂的计算，如今运用MATLAB可以快速、准确的直接根据响应曲线得出性能指标。下面就用一个例子来介绍怎样利用MATLAB快速得到结果。例如求如下二阶系统的性能指标GS3512S首先用MATLAB在命令窗口编写如下几条简单命令NUM3传递函数的分子多项式系数矩阵DEN1153传递函数的分母多项式系数矩阵GTFNUM,DEN建立传递函数GRIDON图形上出现表格STEPG绘制单位阶跃响应曲线STEPRESPONSETIMESECAMPLITUDE01234567800204060811214SYSTEMGPEAKAMPLITUDE122OVERSHOOT221ATTIMESEC199SYSTEMGRISETIMESEC0878SYSTEMGSETTLINGTIMESEC484图1二阶系统阶跃响应及性能指标通过以上命令得到单位阶跃响应曲线，同时在曲线上根据性能指标的定义单击右键，则分别可以得到此系统的性能指标峰值时间TP122S；调节时间TS484S；上升时间TR0878S；超调量MP221。如图1所示。通过这个例子可以看到MATLAB软件给我们的计算带来了极大的方便，避免了因手工计算而带来的误差，提高了准确度和精度。3，控制系统稳定性能的分析众所周知，一个系统的好坏要根据这个系统是否稳定来判断，因而稳定性是控制系统能否正常工作的首要条件，所以在进行控制系统的设计时首先判别系统的稳定性。而在自动控制理论的学习过程中，对判别稳定性一般采用劳斯稳定判据的计算来判别。对于低阶或是不复杂的系统判断起来很简单，但是对于高阶系统，按这样的方法计算过程繁琐且复杂，很容易出错。运用MATLAB来判断稳定性不仅减少了计算量，而且准确。下面将介绍4种方法来判断稳定性。用ROOTGDEN1命令根据稳定充分必要条件判断例如已知单位负反馈系统的开环传函数为G12450310724SS试判断该系统的稳定性。方法如下在MATLAB命令窗口编写以下命令NUM172424DEN110355024G1TFNUM,DENGFEEDBACKG1,1ROOTSGDEN1得到结果ANS556162000014142I2000014142I14384由结果根据稳定充要条件系统闭环特征根实部均在左半S平面，所以可判断该系统是稳定的。通过绘制系统根轨迹图判别方法如下在MATLAB命令窗口编写以下命令NUM172424DEN110355024G1TFNUM,DENRLOCUSG1由此得到根轨迹图为765432103210123ROOTLOCUSREALAXISIMAGINARYAXISG1图2系统根轨迹图由根轨迹曲线可看出4条根轨迹均在左半平面，所以系统是稳定的。通过绘制伯德图判别方法如下在MATLAB命令窗口编写以下命令NUM172424DEN110355024G1TFNUM,DENMARGING1由此得到伯德图形为403020100MAGNITUDEDB10210110010110290450PHASEDEGBODEDIAGRAMGMINF,PM180DEGAT0RAD/SECFREQUENCYRAD/SECG1图3系统的伯德图从曲线可看出幅值裕度无穷大，所示这个系统是稳定的。通过绘制奈奎斯特图判别方法如下在MATLAB命令窗口编写以下命令NUM172424DEN110355024NYQUISTNUM,DEN由此得到的奈奎斯特图为10806040200204060811080604020020406081NYQUISTDIAGRAMREALAXISIMAGINARYAXIS图4系统的奈奎斯特图从奈奎斯特曲线上可以看出没有包围（1，J0）点，且P0，所以这个系统是稳定的。利用MATLAB提供判断稳定性的4种方法，可以看出判断结果是一致的。4，总结通过以上的实例分析就可以看出MATLAB的功能之强大，应用范围之广。本文只是针对自动控制系统中常用到的几个方面来介绍了MATLAB软件一小方面