计算机仿真课程设计报告书

1、 目录一. 摘要.1二. 关键词.1三. Abstract.1四. Keywords.1五. 课程设计的目的.4六. 课程设计用的仪器与器件.4七. 课程设计的具体容.4八. 心得体会.16九. 参考文献.17十. 附录（程序）.17控制系统建模、分析、设计和仿真 自动化学生 安国杰指导老师 侯建华摘要：本次课程实践为设计两个控制器分别为最小拍无波纹和最小拍有波纹控制器。通过这次实践可以进一步对所学的计算机控制技术有进一步的了解，并对Matlab软件的操作有一定程度的熟悉，为以后的工作或研究作基础。Matlab最初主要用于矩阵数值的计算，随着它的版本功能来越来强大，应用围也越来越广阔。如今，M

2、atlab已经发展成为国际上非常好的生产潜力这与工程计算机语言之一，它使用方便、输入快捷、运算高效、容丰富，是高等院校理工科学和科研中必不可少的工具之一，掌握Matlab已经成为相关专业课大学生，研究生和教师的必备技能。 Matlab在我国的应用已有十多年的历史上，而自动控制器则是其最重要的应用领域之一，自动控制系统的建模、分析、设计与应用等都离不开Matlab 4.0开始，就一直将应用教学和科研工作中。对于自动化专业的本科生来说，Matlab是一种必须掌握的现代计算工工具。关键词：MALAB ； 仿真 。 Computer Simulation Course DesignStudent ma

3、joring in automation anguojie Tutor hooujianhuaSummary:Thecourseof practicefor the design oftwocontrollersarethe minimumrippleand minimumfilmshotthereis noripplecontroller. Through thispracticecan be furtherlearned the"computer-controlled technology"have a better understanding, and the ope

4、ration of the softwarematlabhavea certain degree offamiliarity, for futurework orstudyas a basis.   Matlabwas originallymainly used fornumericalcalculation ofthe matrix, with itsversion of thefeature toincreasinglypowerful,increasinglybroadrange ofapplications. Today, Matlab has becomea ve

5、rygoodproductionpotential inthe internationalengineeringcomputer languagewhichoneiteasy to use, enter the fast,efficientcomputing, content-rich, scientificand researchinstitutions of higher learningPolytechnicindispensabletool,Matlabhas become amasterprofessional coursesrelated tocollege students, g

6、raduate studentsand teachersthe necessaryskills.  Matlabapplication in Chinafor more than tenyears ofhistory,while theautomaticcontrolleristhe most importantareas of application, and automatic controlsystemsmodeling, analysis, design and application are allinseparable fromMatlab 4.0startinghas

7、beentheapplication ofteachingand researchwork.For theautomationof theundergraduates, Matlab is aneed to masterworkof modern computingtools.Keywords: MATLAB ； simulation。1课程设计的目的（1）学习并掌握MATLAB软件的程序编写与调试，以与计算机仿真技术的应用。（2）运用MATLAB 软件处理和仿真,分析所建立的控制系统模型的可行性。（3）学会运用Simulink对动态系统进行建模、仿真和分析。2课程设计用的仪器与器件硬件： P

8、C计算机软件： MATLAB7.03课程设计的具体容2号题 控制系统建模、分析、设计和仿真设连续被控对象的实测传递函数为：用零阶保持器离散化，采样周期取0.2秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹控制器Dy(z)和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw(z)。具体要求见（二）。1、求被控对象传递函数G(s)的MATLAB描述。>> z=-2 -6;p=0 0 -1 -5 -8;k=668;>> Gs=zpk(z,p,k)Zero/pole/gain: 668 (s+2) (s+6)-s2 (s+1) (s+5) (s+8)2、求被控对象脉冲传递函数G(z

9、)。>> Gz=c2d(Gs,0.2,'zoh') Zero/pole/gain:0.68436 (z+2.904) (z-0.6703) (z-0.3011) (z+0.1908)- (z-1)2 (z-0.8187) (z-0.3679) (z-0.2019)Sampling time: 0.23、转换G(z)为零极点增益模型并按z-1形式排列。>> a,b,c=zpkdata(Gz)a = 4x1 doubleb = 5x1 doublec = 0.6844>> Gz=zpk(a,b,c,0.2,'variable',&

10、#39;z-1') Zero/pole/gain:0.68436 z-1 (1+2.904z-1) (1-0.6703z-1) (1-0.3011z-1) (1+0.1908z-1)- (1-z-1)2 (1-0.8187z-1) (1-0.3679z-1) (1-0.2019z-1)Sampling time: 0.24、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位加速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际闭环系统稳定的要求。>> syms z b0 b1 a0 a1 a2 a3>> Gez=(1-z-1)3*(1+b0*z-1) Gez = (1-1/z)3*(

11、1+b0/z)5、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dy(z)可实现、最少拍和实际闭环系统稳定的要求。>> Gcz=z-1*(1+2.904*z-1)*(a0+a1*z-1+a2*z-2) Gcz = 1/z*(1+363/125/z)*(a0+a1/z+a2/z2)6、根据4、5、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。>> f1=subs(Gcz,z,1)-1 f1 = 488/125*a0+488/125*a1+488/125*a2-1 >> f2=subs(diff(Gcz,1),z,1)f2

12、 =-851/125*a0-1339/125*a1-1827/125*a2 >> f3=subs(diff(Gcz,2),z,1) f3 = 2428/125*a0+5106/125*a1+1752/25*a2 >> a0j a1j a2j=solve(f1,f2,f3) a0j = 150061125/116214272 a1j = -94337625/58107136 a2j = 68382125/116214272 >> A=double(a0j a1j a2j)A =1.2912 -1.6235 0.5884>> Gcz=subs(Gcz

13、,a0 a1 a2,A) Gcz =1/z*(1+363/125/z)*(79019/70496/z+25943/40992/z2) >> Gez=(1-z-1)3*(1+b0*z-1) Gez = (1-1/z)3*(1+b0/z) >> f4=subs(Gez,z,-2.904)-1 f4 = 68382125/478324000/*b0 >> boj=solve(f4) boj = 198581691/116214272 >> B=double(boj)B =1.7088>> Gez=subs(Gez,1 b0,1 boj) G

14、ez = (1-1/z)3*(1+198581691/116214272/z)7、求针对单位加速度信号输入的最少拍有波纹控制器Dy(z)并说明Dy(z)的可实现性。>> Gz=0.68436*z-1*(1+2.904*z-1)*(1-0.6703*z-1)*(1-0.3011*z-1)*(1+0.1908*z-1)/(1-z-1)2/(1-0.8187*z-1)/(1-0.3679*z-1)/(1-0.2019*z-1) Gz =17109/25000/z*(1+363/125/z)*(1-6703/10000/z)*(1-3011/10000/z)*(1+477/2500/z)/

15、(1-1/z)2/(1-8187/10000/z)/(1-3679/10000/z)/(1-2019/10000/z) >> Dyz=Gcz/Gez/Gz Dyz =25000/17109*(79019/70496/z+25943/40992/z2)/(1-1/z)/(1+198581691/116214272/z)/(1-6703/10000/z)/(1-3011/10000/z)/(1+477/2500/z)*(1-8187/10000/z)*(1-3679/10000/z)*(1-2019/10000/z)8、用程序仿真方法分析加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。&g

16、t;> N,D=numden(simplify(Gcz);>> numc=sym2poly(N)numc =1.0e+018 * 1.4538 2.3940 -4.6458 1.9239>> denc=sym2poly(D)denc = 1.0e+018 * 1.1259 0 0 0 0>> t=0:0.2:10t = Columns 1 through 14 0 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000 1.4000 1.6000 1.8000 2.0000 2.2000 2.4000 2.6000 Colu

17、mns 15 through 28 2.8000 3.0000 3.2000 3.4000 3.6000 3.8000 4.0000 4.2000 4.4000 4.6000 4.8000 5.0000 5.2000 5.4000 Columns 29 through 42 5.6000 5.8000 6.0000 6.2000 6.4000 6.6000 6.8000 7.0000 7.2000 7.4000 7.6000 7.8000 8.0000 8.2000 Columns 43 through 51 8.4000 8.6000 8.8000 9.0000 9.2000 9.4000

18、9.6000 9.8000 10.0000>> u=0.5*(t.2)u = Columns 1 through 14 0 0.0200 0.0800 0.1800 0.3200 0.5000 0.7200 0.9800 1.2800 1.6200 2.0000 2.4200 2.8800 3.3800 Columns 15 through 28 3.9200 4.5000 5.1200 5.7800 6.4800 7.2200 8.0000 8.8200 9.6800 10.5800 11.5200 12.5000 13.5200 14.5800 Columns 29 throu

19、gh 42 15.6800 16.8200 18.0000 19.2200 20.4800 21.7800 23.1200 24.5000 25.9200 27.3800 28.8800 30.4200 32.0000 33.6200 Columns 43 through 51 35.2800 36.9800 38.7200 40.5000 42.3200 44.1800 46.0800 48.0200 50.0000>> dlsim(numc,denc,u)9、用图形仿真方法(Simulink)分析单位加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。>> numdy=sy

20、m2poly(N)numdy =1.0e+037 * 0.8250 -2.1827 2.2623 -1.1331 0.2664 -0.0229>> dendy=sym2poly(D)dendy =1.0e+036 *4.3723 -0.3141 -9.8182 6.0515 -0.0038 -0.287710、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际闭环系统稳定的要求。>> syms z b1 b2 b3 b4 b5 a3 a4 a5 >> Gezw=(1-z-1)2*(b1+b2*z-1+b3*z-2+b4*z-3+

21、b5*z-4)Gezw = (1-1/z)2*(b1+b2/z+b3/z2+b4/z3+b5/z4)11、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dw(z)可实现、无波纹、最少拍和实际闭环系统稳定的要求。>> Gczw=z-1*(1+2.904*z-1)*(1-0.6703*z-1)*(1-0.3011*z-1)*(1+0.1908*z-1)*(a3+a4*z-1) Gczw = 1/z*(1+363/125/z)*(1-6703/10000/z)*(1-3011/10000/z)*(1+477/2500/z)*(a3+a4/z)12、根据10、11、列写方程组，求解Gc(z

22、)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。 >> f5=subs(Gczw,z,1)-1 f5 = 01/00*a3+01/00*a4-1 >> f6=subs(diff(Gczw,1),z,1) f6 = 17/00*a3-223/000*a4 >> a3j a4j=solve(f5,f6) a3j = 68750000/259529201a4j = 81250000/259529201 >> A=double(a3j a4j)A = 0.4109 0.5226>> Gczw=subs(Gczw,a3 a4,A)

23、 Gczw =1/z*(1+363/125/z)*(1-6703/10000/z)*(1-3011/10000/z)*(1+477/2500/z)*(3647/85248+94299/70496/z) >> f7=limit(Gezw,z,inf)-1 f7 = b1-1>> f8=subs(Gezw,z,-2.904)-1 f8 =238144/131769*b1-29768000/47832147*b2+3721000000/*b3-0/43*b4+000/29609*b5-1 >> f9=subs(Gezw,z,0.6703)-1 f9 =108702

24、09/44930209*b1+0/7*b2+00000/83681*b3+000/743*b4+0000000/119329*b5-1>> f10=subs(Gezw,z,0.3011)-1 f10 =48846121/9066121*b1+0/*b2+00000/641*b3+000/1*b4+0000000/9561*b5-1 >> f11=subs(Gezw,z,-0.1908)-1 f11 =8862529/227529*b1-/108531333*b2+000/*b3-0/157*b4+0000/*b5-1 >> b1j,b2j,b3j,b4j,b

25、5j=solve(f7,f8,f9,f10,f11) b1j =1 b2j = 050308402/259529201 b3j =29641979/79932743b4j = -311371837/717489072 b5j = -34420395/2956652096 >> B=double(b1j,b2j,b3j,b4j,b5j)B = 1.0000 1.5891 0.7830 -0.2080 -0.0584>> Gezw=subs(Gezw,b1 b2 b3 b4 b5,B) Gezw =(1-1/z)2*(1+76849/85248/z+66701/70496/

26、z2-43367/z3-60953/z4)13、求针对单位速度信号输入的最少拍无波纹控制器Dw(z)并说明Dw(z)的可实现性。>>Gz=0.68436*z-1*(1+2.904*z-1)*(1-0.6703*z-1)*(1-0.3011*z-1)*(1+0.1908*z-1)/(1-z-1)2/(1-0.8187*z-1)/(1-0.3679*z-1)/(1-0.2019*z-1) Gz =17109/25000/z*(1+363/125/z)*(1-6703/10000/z)*(1-3011/10000/z)*(1+477/2500/z)/(1-1/z)2/(1-8187/10

27、000/z)/(1-3679/10000/z)/(1-2019/10000/z) >> Dwz=Gczw/Gezw/Gz Dwz =25000/17109*(3647/85248+94299/70496/z)/(1+76849/85248/z+66701/70496/z2-43367/z3-60953/z4)*(1-8187/10000/z)*(1-3679/10000/z)*(1-2019/10000/z)14、用程序仿真方法分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。>> N,D=numden(simplify(Gczw);>> numc=sym2

28、poly(N)numc =1.0e+029 * 0.5783 1.9635 0.2602 -1.6051 0.1282 0.0822>> denc=sym2poly(D)denc =1.0e+029 * 1.4074 0 0 0 0 0 0>> t=0:0.2:2t = 0 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000>> u=tu = 0 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000>> dlsim(numc,denc,u)15、用图形仿真方法(Simulink)分析单位速度信号输入时闭环系统动态

29、性能和稳态性能。>> N,D=numden(simplify(Dwz);>> numdw=sym2poly(N)numdw =1e+027 * 1.8507 -0.2162 -2.2670 1.1602 -0.1431>.0> dendw=sym2poly(D)dendw = 1.0e+027 *3.0821 4.8976 2.4133 -0.6410 -0.180116、根据8、9、14、15、的分析，说明有波纹和无波纹的差别和物理意义。有波纹和无波纹的差别在于有波纹控制器经过一定的采样周期之后，其输入跟踪输出，但 其数字控制器的曲线会出现小的波动，该波动

30、为波纹，而无波纹数字控制器 D(z)的输出曲 线经过一定采样周期之后会为一常数，不会产生波纹。 最少拍控制系统的系统结构简单，设计完成后容易在计算机上实现。但它对系统的适应性 差，只能保证在采样点上的输出可以跟踪输入，有可能在采样点之间呈现波纹，会引起系统的振荡。产生波纹的原因是 U(z)不能在优先个采样周期变为 0，即 u(KT)不等于零， 使系统的输出 y（t）产生波动。实现最少拍无波纹的控制，必须要系统在典型信号的作用 下，经有限个采样周期后，系统的稳态误差保持恒值或为 0，系统的数字控制器 D（z）的 输出 u(KT)也必须保持为0。16、根据8、9、14、15、的分析，说明有波纹和无

31、波纹的差别和物理意义。有波纹和无波纹的差别在于有波纹控制器经过一定的采样周期之后，其输入跟踪输出，但其数字控制器的曲线会出现小的波动，该波动为波纹，而无波纹数字控制器 D(z)的输出曲线经过一定采样周期之后会为一常数，不会产生波纹。最少拍控制系统的系统结构简单，设计完成后容易在计算机上实现。但它对系统的适应性差，只能保证在采样点上的输出可以跟踪输入，有可能在采样点之间呈现波纹，会引起系统的振荡。产生波纹的原因是U(z)不能在优先个采样周期变为0，即u(KT)不等于零，使系统的输出 y（t）产生波动。实现最少拍无波纹的控制，必须要系统在典型信号的作用下，经有限个采样周期后，系统的稳态误差保持恒值

32、或为0，系统的数字控制器 D（z）的输出 u(KT)也必须保持为0。心得体会短短两个周末的实习就这样结束了。从这次实习中，我认识到了亲身实践是我们大学生活很有用也很充实的一步，通过实习能学到在课堂上学不到的很多东西。在课堂上我们仅仅知道该怎么去做，但没有亲自实践，只能是靠想象，所以有很多东西都难以理解。我发现很多知识都是以前在课本上学过的，当时印象并不怎么深刻，但是，一经实习，似乎都能很容易理解其原理，并能对其有更深的记忆。总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何运用MATLAB仿真课程实现所需功能的过程中，培养了我的逻辑思维能力，增加了实际编程的能力。在让我体会到了分析与设计系统的艰辛的同

33、时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。总之，这次实验我收获颇多。实践是获得知识的一种最好的手段！在这里，我非常地感老师的指导，没有您的指导，我们的实习也不会进行的如此顺利；也得感我的同学们，感他们给予我的帮助，才使得我们的实习很好的完成；同时也得感学校、学院给我们提供这么好的实验环境。我忠心的感候建华老师，请允许我由衷的送上一句，老师，您辛苦了！参考文献：MATLAB 7.0从入门到精通（修订版）保柱 人民邮电MATLAB基础与应用 于润伟 机械工业MATLAB在自动控制中的应用 吴晓燕 电子科技大附录：（程序）>> z=-2 -6;p=0 0 -1 -5 -8;k=668;>&

34、gt; Gs=zpk(z,p,k)>> Gz=c2d(Gs,0.2,'zoh') >> a,b,c=zpkdata(Gz)>> Gz=zpk(a,b,c,0.2,'variable','z-1')>> syms z b0 b1 a0 a1 a2 a3>> Gez=(1-z-1)3*(1+b0*z-1) >> Gcz=z-1*(1+2.904*z-1)*(a0+a1*z-1+a2*z-2)>> f1=subs(Gcz,z,1)-1>> f2=subs(d

35、iff(Gcz,1),z,1)>> f3=subs(diff(Gcz,2),z,1)>> a0j a1j a2j=solve(f1,f2,f3)>> A=double(a0j a1j a2j)>> Gcz=subs(Gcz,a0 a1 a2,A)>> Gez=(1-z-1)3*(1+b0*z-1)>> f4=subs(Gez,z,-2.904)-1 >> boj=solve(f4)>> B=double(boj)>> Gez=subs(Gez,1 b0,1 boj)>> Gz

36、=0.68436*z-1*(1+2.904*z-1)*(1-0.6703*z-1)*(1-0.3011*z-1)*(1+0.1908*z-1)/(1-z-1)2/(1-0.8187*z-1)/(1-0.3679*z-1)/(1-0.2019*z-1)>> Dyz=Gcz/Gez/Gz>> N,D=numden(simplify(Gcz);>> numc=sym2poly(N)>> denc=sym2poly(D)>> t=0:0.2:10>> u=0.5*(t.2)>> dlsim(numc,denc,u)>> numdy=sym2poly(N)>> dendy=sym2poly(D)>> syms z b1 b2 b3 b4 b5 a3 a4 a5 >> Gezw=(1-z-1)2*(b1+b2*z-1+b3*z-2+b4*z-3+b5*z-4)>> Gczw=z-1