基于MATLAB控制系統(tǒng)的仿真與應用畢業(yè)設計論文

1、畢業(yè)設計（論文）題 目基于 MATLAB 控制系統(tǒng)仿真應用研究畢業(yè)設計（論文）任務書I、畢業(yè)設計（論文）題目:基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真應用研究II、 畢業(yè)設計（論文）使用的原始資料（數據）及設計技術要求:原始資料:（1）MATLAB語言。（2）控制系統(tǒng)基本理論。設計技術要求:（1）采用MATLAB仿真軟件建立控制系統(tǒng)的仿真模型，進行計算機模擬，分析整個 統(tǒng)的構建，比較各種控制算法的性能。（2）利用MATLAB完善的控制系統(tǒng)工具箱和強大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境，提供用 方框圖進行建模的圖形接 口，分別介紹離散和連續(xù)系統(tǒng)的MATLA和口Simulink仿真。II、畢業(yè)設計（論文）工作內

2、容及完成時間：第0103周：查找課題相關資料，完成開題報告，英文資料翻譯第0411周：掌握MATLAB語言，熟悉控制系統(tǒng)基本理論。第1215周：完成對控制系統(tǒng)基本模塊MATLAB仿真。第1618周：撰寫畢業(yè)論文，答辯。IV、主要參考資料:1MATLAB在控制系統(tǒng)中的應用，張靜編著，電子工業(yè)出版社。2MATLAB在控制系統(tǒng)應用與實例，樊京，劉叔軍編著，清華大學出版社3智能控制，劉金琨編著，電子工業(yè)出版社。4MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計，趙景波編著，機械工業(yè)出版社。5 The Mathworks,l nc.MATLAB-Mathemmatics（Cer.7）.2OO5.信息工程系 電子信息工程班

3、矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。學生（簽名）：填寫日期：年月 日指導教師（簽名）：助理指導教師（并指出所負責的部分）：專業(yè)類0882052導師簽名:日期:右g航零*學謁技學底學士學位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立完成的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外， 本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他學位申請的論文或成果。對本文的研究成果作出重要貢獻的個人和集體， 均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。作者簽名：日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留

4、、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學科技學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。殘騖樓靜錈瀨濟溆塹籟。作者簽名：日期：基于 MATLAB 空制系統(tǒng)仿真應用研究學生姓名：蔚道祥 班級：0882052指導老師：羅艷芬摘要：現代控制系統(tǒng)原理理論性強，現實模型在實驗室較難建立，因此利用SIMULINK進行仿真實驗，可以加深我們學生對課程的理解，調動我們學習的積 極性，同時大大提高了我們深入思考問題的能力和創(chuàng)新能力。本文針對現代控制系統(tǒng)的設計很大

5、程度上還依賴于實際系統(tǒng)的反復實驗、調整的普遍現象，結合具體的設計實例，介紹了利用較先進的MATLAB軟件中的SIMULINK仿真工具來 實現對現代控制系統(tǒng)建模、分析與設計、仿真的方法。它能夠直觀、快速地分析 系統(tǒng)的動態(tài)性能、和穩(wěn)態(tài)性能。并且能夠靈活的改變系統(tǒng)的結構和參數，通過快 速、直觀的仿真達到系統(tǒng)的優(yōu)化設計。釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。關鍵詞：MATLAB，控制系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真指導老師簽字Control System Based on MATLAB Simulation Applied Research彈貿攝爾霽斃攬磚鹵廡。Stude nt Name:Wei Daoxia ng篋飆鐸懟類蔣薔。Su

6、pervisor: Luo YanfenAbstract:Modern control system theory theoretical model of reality in thelaboratory is more difficult to establish, therefore the simulation using SIMULINK, candeepe n our stude nts un dersta nding of the course, to mobilize the en thusiasm of ourstudy, at the same time greatly i

7、mprove our in-depth ability to think and inno vativecapacity .In this paper, the desig n of moder n con trol systems largely rely on repeatedexperime nts on the actual system, the adjustme nt of a com mon phenomenon,combined with a specific design example, use of more advaneed MATLAB softwareSIMULIN

8、K simulation tools to achieve the modern control system modeling, analysis anddesign, simulation methods. It can intuitively and quickly an alyze the dyn amic performanee of the system, and steady state performa nee. And the flexibility to cha nge thestructure and parameters of the system, fast, i n

9、tuitive simulatio n of the optimizati ondesig n of the system廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。:MATLAB, Control system, System simulation煢楨廣鰳鯡選塊網羈淚Sign ature of Supervisor:Class:0882052謀蕎摶Keywords1引言2緒論2.1課題背景.22.2現代控制系統(tǒng)的發(fā)展及現狀 .22. 3 MAT LAB簡介及其仿真現狀.32.4 MATLAB仿真集成環(huán)境一Simulink.73控制系統(tǒng)的基本理論3.1控制系統(tǒng)的模型.103.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析.124連續(xù)系統(tǒng)4

10、.1連續(xù)控制系統(tǒng)數學模型 .144.1.1脈沖傳遞函數.144.1.2狀態(tài)空間.154.2 MATLAB仿真.164.2.1連續(xù)系統(tǒng)的時域分析.164.2.2連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析.174.3SIMULINK仿真.224.4連續(xù)系統(tǒng)離散化.235離散系統(tǒng)5.1離散控制系統(tǒng)數學模型.285.2 MATLAB仿真.285.3 SIMULINK仿真.355.4離散系統(tǒng)連續(xù)化 .416總結.42參考文獻.43鵝婭盡損鶴慘歷蘢鴛賴。致謝.44籟叢媽羥為贍債蟶練淨。南昌航空大學科技學院學士學位論文1基于 MATLAB 空制系統(tǒng)仿真應用研究1引言MATLA是1984年有美國的MathWorks公司推出的產品，它

11、的名字由Matrix和Laboratory兩詞的前三個字母組成的，是一套高性能的數值分析和計算軟件， 其功能不斷的擴充，版本不斷升級，發(fā)展至今，它已經發(fā)展成為一個集數值分析， 矩陣計算，程序設計，系統(tǒng)建模，圖形顯示，系統(tǒng)仿真于一體，它支持控制系統(tǒng) 設計過程的每個環(huán)節(jié)：系統(tǒng)建模，分析，仿真到控制器設計和實現，并科研用于 不同領域的系統(tǒng)設計，如制造、機械、航空航天、通信和計算機等領域。它使用方便，用戶界面友好的可視化軟件，被譽為第四代編程語言，是世界上最流行 的計算語言之一。目前，它被廣泛的應用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設計、計 算機應用、通信仿真等諸多領域。預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。MATLAB在中

12、國流行起來是在20世界90年代， 目前已經成為廣大科研工作 者進行科學研究，工程計算的必備工具。其中的仿真集成環(huán)境SIMULINK工具箱， 是進行系統(tǒng)分析與設計的有力工具。在系統(tǒng)開發(fā)直接，通過仿真科研優(yōu)化系統(tǒng)參 數，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時間，并提高了系統(tǒng)的性能。滲釤嗆儼勻諤鱉調硯錦。在控制系統(tǒng)領域有大量復雜繁瑣的計算與仿真曲線繪制任務。隨著計算機的廣泛應用，MATLA及其工具箱和Simulink仿真工具的出現為控制系統(tǒng)的設計與 仿真提供了一個強有力的工具，使控制系統(tǒng)發(fā)生了革命性的變化。鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。南昌航空大學科技學院學士學位論文22 緒論2.1課題背景MATLA語言是當今國際控制界最

13、為流行的控制系統(tǒng)計算機輔助設計語言，它的出現為控制系統(tǒng)的計算機輔助分析和設計帶來了全新的手段。其中圖形交互式的模型輸入計算機仿真環(huán)境SIMULINK為MATLAB用的進一步推廣起到了積極 的推動作用?，F在，MATLABS言已經風靡全世界，成為控制系統(tǒng)CAD領域最普 及、也是最受歡迎的軟件環(huán)境。擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。隨著計算機技術的發(fā)展和應用，控制理論和技術在宇航、機器人控制、導彈 制導及核動力等高新技術領域中的應用也愈來愈深入廣泛。不僅如此，自動控制技術的應用范圍現在已擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經濟管理和其它許多社會生活 領域中，成為現代社會生活中不可缺少的一部分。隨著時代進步和人們生活水平 的

14、提高，在人類探知未來，認識和改造自然，建設高度文明和發(fā)達社會的活動中， 自動控制理論和技術必將進一步發(fā)揮更加重要的作用。作為一個工程技術人員， 了解和掌握自動控制的有關知識是十分必要的。贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷?，F代控制技術的應用不僅使生產過程實現了自動化，極大地提高了勞動生產 率，而且減輕了人的勞動強度。自動控制使工作具有高度的準確性， 大大地提高 了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下 高速高空飛行的飛機。某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技 術了，例如原子能的生產、火炮或導彈的制導等等。利用MATLAB件中SIMULINK仿真工具來實現對自動控制

15、系統(tǒng)建模、 分析與設計、 仿真。 能夠直觀、快速地分 析系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。并且能夠靈活的改變系統(tǒng)的結構和參數，通過快 速、直觀的仿真達到系統(tǒng)的優(yōu)化設計。壇搏鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。2.2現代控制系統(tǒng)的發(fā)展及現狀仿真是對真實事物的模擬， 它形成于40年代二戰(zhàn)末期對火炮及飛行控制動 力學系統(tǒng)的研究，1948年電子微分分析器在美國的BELL實驗室的研制成功開 創(chuàng)了計算機仿真的新紀元。50年代至60年代初對洲際導彈和宇宙飛船姿態(tài)及軌 道控制動力學的研究，促進了混合仿真技術的發(fā)展。70年代，系統(tǒng)工程被廣泛 用于社會、經濟、生態(tài)等非工程系統(tǒng)，促進了離散事件系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展。變黲癟報倀鉉錨鈰贅。南昌航空

16、大學科技學院學士學位論文3仿真技術是以相似原理、系統(tǒng)技術、信息技術、網絡技術及其應用領域有 關的專業(yè)技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實的或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗研究的一門學科綜合性技術。控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真技術在控制領域的應用。其重要作用可以概括為如下幾點：（1）在系統(tǒng)尚 未建立之前利用仿真技術可以論證系統(tǒng)方案及其可行性，可以避免許多不必要的挫折并為系統(tǒng)設計打下扎實的基礎；（2）在系統(tǒng)設計過程中利用仿真技術可以幫 助設計人員建立系統(tǒng)的模型，進行模型驗證與模型簡化并進行最優(yōu)化設計；（3）在系統(tǒng)建成后，利用仿真技術可以分析系統(tǒng)工作的狀況，尋求系統(tǒng)改進的途徑， 以及找

17、出最佳運行參數，尤其對于復雜控制系統(tǒng)，要采用智能的高級控制算法， 而每一種算法在建立前是不成熟的.這就需要米劇仿真技術改進算法，并進行優(yōu) 化設計。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄?？刂葡到y(tǒng)仿真經歷了物理模型仿真，模擬計算機仿真和數字計算機仿真三個 過程。物理模型仿真是以物理過程相似、幾何尺寸相似及環(huán)境條件相似為基礎的 仿真。數學仿真是以綜合參數比例相似及信息規(guī)律傳遞相似為基礎的仿真。物理仿真的優(yōu)點是能最大限度地反映系統(tǒng)的物理本質，具有直觀性及形象化的特點， 它能將模型中發(fā)生的綜合過程在模型中全面反映出來。但它的缺點是為建造物理 模型所需的費用高、周期長、技術復雜等。而數學仿真不僅經濟、方便、而且通 用性強

18、，在一定程度上滿足了小系統(tǒng)或簡單系統(tǒng)的仿真。但是對于復雜的系統(tǒng)， 數字仿真的局限性就明顯表現出來，首先它建立的數學模型描述能力有局限性， 它不能或難以描述復雜系統(tǒng)的某些問題或現象： 它所使用的仿真方法主要是近似 的數值解法，缺少知識推理、邏輯判斷和學習訓練等智能特性。因此，把仿真技 術和人工智能技術相結合發(fā)展智能仿真技術，成為仿真技術發(fā)展的一個新的焦 丿點。綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。當前仿真研究的前沿課題主要有：仿真與人工智能技術的結合，分布式仿 真與仿真模型的并行處理，圖形與動畫仿真，建模環(huán)境與仿真支持系統(tǒng)等。2.3 MATLAB簡介及其仿真現狀MATLAB（Matrix laboratory）

19、語言，早期只是數值線性代數軟件包Lin pack和Eispack的接口工具，用Fortran編程，后用C語言編寫，八十年代中期，Mathwork公司將MATLAE推向市場，并逐步拓展其數值計算、符號解析運算、文字處理、圖象處理功能，并采用面向對象的超高級的語言作為用戶界面， 使MATLAB成為一個多領域、多學科、多功能的優(yōu)秀的應用軟件，它的版本也 從基于windowsw3.1x的16位的MATLAB4.2到今天基于windows 95, windows NT,Unix及Macintosh操作系統(tǒng)的南昌航空大學科技學院學士學位論文432位的應用程序MATLAB52，它將數值分 析、矩陣計算、科學

20、數據可視化以及非線形動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功 能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境之中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多學科領域提供一種簡捷、高效的編程工具。其幾大功能可概括 女口下：驅躓髏彥浹綏譎飴憂錦。1作為科學和工程計算的MATLABMATLAB以矩陣（或稱數組）為計算單元，定義域為復數域，求解數值問 題采用了有關領域中的先進技術和最新成果，其算法效率高、數值穩(wěn)定性好、使用方便，對計算數學領域的特定問題類型用MATLAB系統(tǒng)求解，可以得到各種 高效算法。MATLAB5.1版本增加了五個新的常微分方程求解程序，包括支持剛 性系統(tǒng)和事件定位；更快、更精確的Besse I函

21、數，支持復數；稀疏矩陣迭代法、 稀疏矩陣特征值和奇異值；2維積分：多維內插：不規(guī)則采樣數據顯示：16位立 體聲（pc、Mac）:支持科學計算標準的開放式可擴充結構。貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。2智能化程序設計語言MATLAB不僅提供了極其結構化的程序設計語言，而且擁有超過任一高級 語言系統(tǒng)調試技術，使用MATLAB的調試技術可以自動設置清除斷點，在函數 多層嵌套調用中可以考察改變多級工作空間的狀態(tài)，在MATLAB工作過程中不必考慮數據類型，對數組無須事先定義其類型、名稱及規(guī)模，系統(tǒng)本身會隨機擴 大或縮小，程序中既可以操作數組元素，也可以操作數組的一行或幾行， 還可以 訪問數組變量的整體，同時MATL

22、A也擁有靈活多樣的智能運算符這使得MATLAB的應用更加廣泛。鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。3.MATLAB的數據可視化功能MATLAB可以給計算數據以二維、三維的圖形表現，通過對圖形線型、立 面、色彩、渲染、立視角等品質的處理，可把計算數據的特征表現的淋漓盡致，MATLAB還開發(fā)了一些面向圖形對象的圖形函數，它可以圖形句柄為界面，設 置各種不同按鈕和控件，以執(zhí)行相應的操作命令，從而實現人機交互控制。MATLAB5.1版本的圖形用戶界面（GUI）增加了交互式GUI編碼程序向導 （GUIDE）;句柄圖形屬性編輯程序：列表框：模態(tài)和非模態(tài)對話框，信息框： 多線程和直接插入可編輯文本等。它的數據可視化和圖形

23、功能進一步加強，可 以快速精確顯示3D圖形和各種圖形文件格式，支持真彩色和高效8位圖象數據 輸入顯示。構氽頑黌碩飩薺齦話騖。4. MATLAB的文字處理功能南昌航空大學科技學院學士學位論文5MATLAB把Microsoft word與note book集成為一整體，它既可看作是能解 決計算問題的字處理軟件，也可看作是文字編輯功能的應用軟件，在n ote book中，可以對指令進行修改編輯，及時演算，及時執(zhí)行命令，它的指令都是“活” 指令，可以像在MATLAB的主窗口運行命令一樣運行它。輒嶧陽檉籪癤網儂號澩。5. MATLAB的工具箱迄今為止MATLAB己擁有至少37個工具箱，這些工具箱可以分為

24、兩類： 功能型工具箱和領域型工具箱，功能型工具箱主要用來擴展MATLAB的符號計算功能，圖形建模仿真，文字處理功能以及與硬件的實時交互功能，而領域型工具箱是專業(yè)性很強的工具箱如自動控制工具箱、信號處理工具箱、神經網絡工具 箱、模糊邏輯工具箱、通訊、小波分析、高階譜分析、偏微分方程、統(tǒng)計、金融、 圖象處理等工具箱，應用領域遍布工程、經濟、數學、化學以及電力等多個領域。 在這些工具箱中MATLAB提供了開放式體系結構使用戶能夠進入工具箱源碼以 便修改、定制、擴展算法和工具箱功能以適應用戶特殊需要。MATLAB進行仿真的現狀如下：堯側閏繭絳闕絢勵蜆贅。MATLAB語言由于使用極其方便、且提供了豐富的

25、矩陣處理功能，所以很 快引起了控制理論領域研究人員的高度重視，并在此基礎上開發(fā)了控制理論與CAD和圖形化模塊化設計方法相結合的控制系統(tǒng)仿真工具箱，目前它已成為國 際控制界最流行的仿真語言。MATLAB可以在各種類型的機型上運行，如：PC及兼容機、Macintosh、Sun工作站、VAX機、Apollo工作站、HP工作站、DECstation工作站、SGI工作站、RS/6000工作站、Convex工作站及Cray計算機等。使 用MATLAB語言進行編程，可以不作任何修改直接移植到這些機器上運行，它 與機器類型無關，這大大拓寬了MATLAB語言的應用范圍。識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。MATLAB語言除可

26、以進行傳統(tǒng)的交互式編程來設計控制系統(tǒng)以外，可以調 用它的控制系統(tǒng)工具箱來設計控制系統(tǒng)。許多控制界的使用者還結合自己的 研究領域將擅長的CAD方法與MATLAB結合起來，制作了大量的控制系統(tǒng) 工 具箱，如控制系統(tǒng)工具箱，系統(tǒng)辨識工具箱，魯棒控制工具箱，多變量頻域設計 工具箱，“分析與校正工具箱，神經網絡工具箱，最優(yōu)化工具箱，模糊控制工具箱等，可以說伴隨著控制理論的不斷發(fā)展和完善，MATLAB的工具箱也在不斷的增加和完善。MATLAB的Simulink和Stateflow功能的增加使控制系統(tǒng)的設計 更加簡便容易，而且可以設計更為復雜的控制系統(tǒng)。用MATLAB設計出控制系統(tǒng)進行仿真后，可以利用MAT

27、LAB的工具在線生成C語言代碼，用于延時南昌航空大學科技學院學士學位論文6控制?？梢院敛豢鋸埖恼f，MATLAB己不僅是一般的編程工具，而是作為一種控制系統(tǒng)的設計平臺出現的。目前，國外的許多工業(yè)控制軟件的設計就明確提出了與MATLAB的兼容性。凍鈹鋨勞臘錯癇婦脛糴。MATLAB及其工具箱將一個優(yōu)秀軟件包的易用性、可靠性、通用性和專業(yè) 性，以及以一般目的應用和高深的專業(yè)應用完美的集成在一起，并憑借其強大的功能，先進的技術和廣泛的應用，使其逐漸成為國際性的計算標準，為世界各地 超過20萬名科學家和工程師所采用。今天，MATLAB的用戶團體幾乎遍及西方 各主要大學，公司和政府研究部門，其應用也已遍及現

28、代科學和技術的方方面面。 據1996年的統(tǒng)計，全球共有52個國家，2000余所大學購買了MATLAB的使用 許可，世界排名前100名的大公司有82家使用它，相反目前我國的科技人員了 解和使用它的還比較少，使用的版本還比較低，離廣泛使用和普及還有很大的距 離。恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。下面是MATLAB的幾個典型應用，由此可見一斑。在瑞典Lunds大學反射物理學研究所在一項為期三個月的極地探險計劃中， 廣泛使用MATLAB及其工具箱，在北冰洋研究放射性物質對環(huán)境生態(tài)學的影響。研究人員主要用MATLAB進行數據分析，用神經網絡工具箱辨識北冰洋流木的年輪圖案，并據此識別這些漂流數年的數木成長自何方。Fo

29、rsmark核 電站使用MATLAB優(yōu)化反應堆的功率輸出。工程師們從堆芯讀取大量數據，算出 燃料棒和控制棒的最佳位置.以便產生最大的輸出功率。這是一個極為龐大且十 分復雜的數值分析問題，包括分析1700個以上的節(jié)點。為了簡化計算過程，Forsmark用MATLAB開發(fā)出他們自己的圖形用戶界面，這個圖形用戶界面容許 沒有任何使用經驗 的使用者執(zhí)行計算和 評價分析結果。Forsmark還使用MATLAB建模和分析各種設想的失效及擾動情況。在反應堆中當發(fā)生擾動時， 數據必須被詳細分析以便確定擾動的原因。借助于MATLAB和它的系統(tǒng)辨識及控制工具箱，Forsmark的工程師們將分析時間從原來的一星期減

30、少到現在的15分鐘。鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。Calspan先進技術中心試驗高度可修改的實驗型飛行器，它可以成倍提高其它飛行器的性能。其仿真程序運行在一組并行操作的浮點DSP上，所用硬件來自dSPACE。飛行器和飛行控制系統(tǒng)首先在地面用Simulink模塊建模、仿真，然 后用實時Workshop生成C源代碼并被下載到飛行器的DSP上。當實驗飛機飛行 時，試飛員可以在飛機在預先編好的程序DSP模塊控制時評價飛行器和飛行控制系統(tǒng)，飛行中各種控制參數可以直接被調整并被下載給硬件作試驗，這種形式南昌航空大學科技學院學士學位論文7的實時試驗節(jié)省了大量時間和經費，一個1s行控制系統(tǒng)在其原型被建立之前就可以完成

31、幾乎全部試驗。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。2.4 MATLAB仿真集成環(huán)境 一SimulinkSimulink是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模，仿真和綜合分析的圖形化軟件。它可以 處理線性和非線性、離散、連續(xù)喝混合系統(tǒng)，也可以處理單任務和多任務系統(tǒng)， 并支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。閿擻輳嬪諫遷擇植秘騖。在Simulink是圖形化仿真方式，使其具有更直觀現象，更簡單方便與靈 活的特點。比如，由Simulink創(chuàng)建的控制系統(tǒng)動態(tài)方框圖模型，是系統(tǒng)最基 本的直覺圖形化形式、非常直觀、容易理解。并且可以再仿真進行的時間，就 能看到仿真的結果。這樣可以大大的簡化設計流程，減輕設計負擔和降低設計 成本，提高工作效率。氬嚕躑

32、竄貿懇彈濾頷澩。在MATLAB命令窗口鍵入Simulink,或在工具欄上選擇按鈕上一打開Simulink LibraryBrowser,即可打開一個空白模型窗口。 此時就可以再模型窗口 中建立模型進行仿真工作，如圖2-1所示釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。南昌航空大學科技學院學士學位論文8Continuous圖2-1 Simulink Library Browser界面在模塊庫中選擇構建系統(tǒng)模型所需的模塊，并把它們直接拖放到所建立的 系統(tǒng)模型窗口中。之后需要做的工作是按照系統(tǒng)的信號流程將各系統(tǒng)模塊真確 連接起來。用鼠標單擊并移動所需功能模塊至合適位置，將光標指向源模塊的輸出端口，此時光標變成“+”。此時

33、松開鼠標按鍵就完成如圖2-2所示的連接 慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。 cS - #4 |CosBonly Used Blocks: siaulink- CcascnlUsed Blocks匕Q Simulinkommonly Used BlocksI connmoiriy| ussd blocksICoftmnly Used BlocksContinuousDi screteLogic and Bit OperationsLookup TablesNath OprtionsModel VerificationMadel-Wide UtilitiesForts A. Subsystems.Si詳al

34、AttributesSignal BoutinSinksourc&sVsar-Defiikad Functions:由小a R &dyAHiti onel用h ft- DiscreteBlockiatCBNA Reference BlockstDiEcontiKuitiEEVi screteLogic and BitOpera七1OILELookup T &blesMath Op er aliensModel VerificationModd-Iidfi Utilities十+1+南昌航空大學科技學院學士學位論文9圖2-2 Simulink模型窗口南昌航空大學科技學院學

35、士學位論文103 控制系統(tǒng)的基本理論3.1控制系統(tǒng)的模型在MATLAB里，可用4種數學模型表示控制系統(tǒng)，即：傳遞函數模型、零極點增益模型、狀態(tài)空間模型以及動態(tài)結構圖。其中前3種是用數學表達式描述 的，每種模型都有連續(xù)系統(tǒng)的及離散系統(tǒng)的兩種類別； 而動態(tài)結構圖是基于傳遞 函數的圖形化形式，就是MATLAB里的SIMULINK結構圖。諺辭調擔鈧諂動禪瀉類。(1) 傳遞函數模型不論是連續(xù)還是離散時間系統(tǒng)，傳遞函數分子/分母均按s或z的降幕排列。 在MATLAB里，都可直接用分子/分母多項式系數構成的兩個向量num與den表示系統(tǒng)，即：嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。nu m=c0,c1,cm;den=a1,a

36、2；,a n;在MATLAB中，用函數命令tf()來建立控制系統(tǒng)的傳遞函數模型，tf() 函數命令常用的調用格式為：sys= tf(num；den)sys= tf(num；den；TSsys= tf(M)tfsys= tf(sys)sys= tf(num；den)函數返回的變量sys為連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數模型。函數輸入參量num與den分別為系統(tǒng)的分子與分母多項式系數向量。熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。sys= tf(num；den；函數返回的變量sys為離散系統(tǒng)的傳遞函數模型。Ts為采樣周期，當Ts=-1或者Ts=時，則系統(tǒng)的采樣周期未定義；num與den的 定義同前。sys= tf(M)函數定義一個

37、增益為M的靜態(tài)系統(tǒng)。鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。tfsys= tf( sys)函數將任意的LTI對象轉換成傳遞函數模型，缺少時使用tzero()函數將狀態(tài)空間模型轉換成傳遞函數模型，使用poly()函數將零極點增益模型轉換成傳遞函數模型。紂憂蔣氳頑薟驅藥憫騖。(2) 零極點增益模型在MATLAB中，用函數命令zpk()來建立控制系統(tǒng)的零極點增益模型，zpk()函數的調用格式為:sys= zpk(num；den)南昌航空大學科技學院學士學位論文11sys= zpk(num,den, TSsys= zpk(M)tfsys= zpk(sys)其中：sys= zpk(num, den)函數返回的變量sys為

38、連續(xù)系統(tǒng)的零極點增益模型。 函數輸入參量的含義同tf()函數命令的解釋。穎芻莖峽餑億頓裊賠瀧。(3)狀態(tài)空間模型在MATLAB中，用函數ss()來建立控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，或者將傳 遞函數模型與零極點增益模型轉換為系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。ss()函數的調用格式為：濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。sys= ss(a, b, c, d)sys= ss(a, b, c, d, Tssys= ss(d)sys_ss= ss(sys)sys= ss (a, b, c, d)函數返回的變量sys為連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。函數輸 入參量a, b, c, d分別對應于系統(tǒng)的A, B, C, D參數矩陣。銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼

39、。sys= ss(a, b, c, d, Ts)函數返回的變量sys為離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。Ts為采樣周期，當Ts= -1或者Ts=時，則系統(tǒng)的采樣周期未定義，a, b, c, d的定 義同前。 。擠貼綬電麥結鈺贖嘵類。sys= ss(d)函數等價于sys= ss(, ,d)。sys_ss= ss(sys)函數是將任意的LTI對象sys轉換成狀態(tài)空間模型。(4)系統(tǒng)的模型相互轉換在實際工程中，由于要解決自動控制問題所需要的數學模型，而該數學模型與該問題所給定的已知模型往往是不一致的，此時，就需要對控制系統(tǒng)的數學模型進行轉換，即將給定模型轉換為仿真程序能夠處理的模型形式。通常，系統(tǒng)的微分方程作

40、為描述動態(tài)性能的基本形式，當作為共性的內容進行分析時，又常常將其轉換為傳遞函數形式，而在計算機中，利用系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述最方便。所以，討論系統(tǒng)的數學模型之間的相互轉換具有實際的知道意義。賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。各種數學模型適用于各類不同的應用場合，因而當研究的范圍發(fā)生變化時， 就需要對原有的數學模型進行轉換，以適應工程實際的需要。實際應用的往往都 是一些很復雜的對象，分析這類對象時就要把實際工南昌航空大學科技學院學士學位論文12程分解為一些便于研究的數學模型的組合，然后再將他們連接起來研究其各種性能。塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。描述控制系統(tǒng)的數學模型主要有傳遞函數，零極點模型，部分分式模型和狀態(tài)空間模

41、型等，而這些模型之間又有著某種內在的等效關系。在一些場合下需要 用到其中的一種模型，而在另一種場合下可能需要另外的模型。 所以討論由一種 模型的轉換方法是很有必要的。MATLAB提供了一個對不同控制系統(tǒng)的模型描 述進行轉換的函數集，如表3.1所示：裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。表3.1模型轉換函數及說明函數說明ss2tf由狀態(tài)空間形式轉換為傳遞函數形式ss2zp由狀態(tài)空間形式轉換為零極點形式tf2ss由傳遞函數形式轉換為狀態(tài)空間形式ts2zp由傳遞函數形式轉換為零極點形式zp2ss由零極點形式轉換狀態(tài)空間形式zp2tf由零極點形式轉換傳遞函數形式3.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析(1)穩(wěn)定性的概念經典控制分析

42、中。關于線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念是： 若控制系統(tǒng)在初始條 件和擾動作用下，其瞬態(tài)響應隨時間的推移而逐漸衰減并趨于遠點(原平衡工作 點)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，如果控制系統(tǒng)受到擾動作用后，其瞬態(tài)響應 應隨時間的推移而發(fā)散，輸出成持續(xù)震蕩過程，或者輸出物限制地偏離平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驚。(2)系統(tǒng)穩(wěn)定的意義系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)設計與運行的首要條件。只有穩(wěn)定的系統(tǒng)，才有價值分析 與研究系統(tǒng)自動控制的其他問題。 例如，只有穩(wěn)定的系統(tǒng)，才會進一步計算穩(wěn)態(tài) 誤差。所以控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析是系統(tǒng)時域分析，穩(wěn)態(tài)誤差分析。根軌跡分析 與頻率分析的前提。綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。對一個穩(wěn)

43、態(tài)的系統(tǒng)，還可以用想對穩(wěn)定性進一步衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定度。系統(tǒng)相 對穩(wěn)定性越低，系統(tǒng)的靈敏性和快速性越強，系統(tǒng)的震蕩也越激烈。驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。(3)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷南昌航空大學科技學院學士學位論文13對于線性連續(xù)系統(tǒng)。其穩(wěn)定的充分必要條件：描述該系統(tǒng)的微分方程的特征 方程的根全部具有有負實部，即全部根在左半復平面內，或者說系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞 很熟的極點均位于左半s平面內?，嶀暈R曖惲錕縞馭篩涼。對于線性離散系統(tǒng)。其穩(wěn)定的充分必要充分條件是：如果閉系統(tǒng)的特征方程 根或者閉環(huán)脈沖傳遞函數的極點為kl，k2,川，kn,則當所有特征根的模都小于1時，即|ki|1(i=1,2,.n),該線性離散系統(tǒng)是穩(wěn)定的；

44、如果模的值大于1時，則該系統(tǒng)離散是不穩(wěn)定的。鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。(4)其他穩(wěn)定性判據除上述穩(wěn)定性判據之外，還有很多其他穩(wěn)定性判據可從各個不同的角度對系 統(tǒng)的穩(wěn)定性加以判據，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠成立與運行的首要條件。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。(5)MATLAB直接判定的相關函數由系統(tǒng)的穩(wěn)定判據可知，判據系統(tǒng)的穩(wěn)定與否實際上是判定系統(tǒng)閉環(huán)特征方 程的根的位置。其前提需要求出特征方程的根。MATLAB提供了與之相關的函數，其用法如表3.2所示：轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。表3.2求特征方程根的函數函數用法說明P=eig(G)求取矩陣特征根。系統(tǒng)的模型G可以是傳遞函數，狀態(tài)方程和零極點模型，可以是連續(xù)的或

45、離散的P=pole(G)Z=zero(G)分別用；來求系統(tǒng)的極點和零點。G是已經定義的系統(tǒng)數學模型p,z=pamap(sys)求系統(tǒng)的極點和零點。sys是定義好的系統(tǒng)數學模型R=roots(P)求特征方程根。P是系統(tǒng)閉環(huán)特征多項式降幕排列的系數向量南昌航空大學科技學院學士學位論文144連續(xù)系統(tǒng)4.1連續(xù)控制系統(tǒng)數學模型用微分方程來描述系統(tǒng)的輸入輸出的動態(tài)特性是建立數學型的一種常用方 法。在建立數學系統(tǒng)模型時，通常可以通過以下方法來建立系統(tǒng)的微分方程模 型：1)根據系統(tǒng)控制的目的和對象的設計目的來確定對象的輸入變量和輸出變控 制變量和被控變量、干擾變量；2)根據對象的工藝原理，進行合理的假設和簡

46、化，突出主要因素、忽略次要因素；3)從基本的物理、化學定律出發(fā)，根據對象的工 藝機理，進行推導；4)如有非線性特性，需進行合理的線性化處理(如:將非線性函 數在平衡點的某一鄰域內展開泰勒級數，忽略展開式中的二次項及高次項后可得 到該非線性函數在平衡點的鄰域內的線性近似表達式)。峴揚爛滾澗輻灄興渙藺。對不同的對象所建立的微分方程不同，但是其基本形式都是相同的，即微分方程的典型形式為： an_i11（ $aoydt（n）川 dty同理，對于多變量控制系統(tǒng)， 可以對每一路輸入所對應的每一路輸出建立微 分方程，從而得到該多輸入多輸出系統(tǒng)的由pxq個微分方程組成的微分方程組模 型:詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。

47、d(n)yididyi討衛(wèi)2)討aij1朮aj0yi匚 d(m)uj*d(m)ujduj=bijmd?mrbij(m-1)m4)bj1dH) bij0Uj其中0ivp,0 nu m=0.3 1num =0.30001.0000 den=1 0.5 0南昌航空大學科技學院學士學位論文19den =1.00000.50000 G=tf(nu m,de n)Tran sfer function:0.3 s + 1sA2 + 0.5 s bode(G)gridBode圖運行結果圖4-1所示:南昌航空大學科技學院學士學位論文20圖4-1 Bode圖 nyq uist(G)運行結果圖4-2所示:南昌航空大

48、學科技學院學士學位論文21JVi spur a 1File Edi t Yiew Lnsert Tools Hsktop Window Help Q 3 BQ紳 運 IS 圖4-2 Nyquist圖繪制nichols圖w=logspace(-1,2,100) n ichols( nu m,de田總ee-uraEE-rrJy-qutEt Diagram2 5-2/5Real Axis-0.5南昌航空大學科技學院學士學位論文22n,w)運行結果圖4-3所示：南昌航空大學科技學院學士學位論文23Fi gvrc 1IEile Edit Yiew Insert loals Hesktop Stind&a

49、mp;w Help遅S QOpen-Loop Phsase (dgg)圖4-3 nichols圖南昌航空大學科技學院學士學位論文244.3連續(xù)系統(tǒng)的離散化在對連續(xù)系統(tǒng)進行實時計算機控制時，往往需要把連續(xù)系統(tǒng)轉換成離散系統(tǒng)。此時數字即將參與自動控制處理離散的數據，一方面數值量化的，同時時間也是量化。風攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。MATLAB給出了連續(xù)系統(tǒng)的離散化函數c2d()，它的功能是將連續(xù)時間模型轉 換為離散時間模型，其調用格式為滅曖駭諗鋅獵輛覯餿藹。sysd=c2d(sysc,Ts,method)其中method為用來指定離散化采用的方法，常用有如下的方法：imp脈沖響應不變法，即z變換，zoh采

50、用零階保持器，foh采用一階保持器，tustin采用雙線性逼近法。變換方法進行離散，設采樣周期為Ts=1.根據題意，程序如下 clear all nu m=8 24 16 den=1 12 47 60 0 G=tf(nu m,de n)Tran sfer function:8 sA2 + 24 s + 16sA4 + 12 sA3 + 47 sA2 + 60 s G仁c2d(G,Ts,tust in)Tran sfer function:0.2286 zA4 + 0.381乙八3 + 0.07619乙八2 - 0.07619 zzA4 - 0.0381 zA3 - 0.6667乙八2 - 0.

51、2667 z - 0.02857例已知連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數為8S2+24S+ 16G(s)s412s347S260s，試對其采用雙線性南昌航空大學科技學院學士學位論文25Sampli ng time: 1南昌航空大學科技學院學士學位論文264.4 Simuli nk建模在MATLAB令窗口寫給出“simulink”命令，將打開Simulink模塊庫界面, 如圖所示。從圖4-1所示的界面左側可以看到，整個Simulink模塊庫有各個不同用途 的模塊組成。在Simulink模塊庫中，常有模塊組，連續(xù)模塊組，非連續(xù)模塊組， 離散模塊組，邏輯與位操作模塊組等等。鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。圖4-1 Simuli

52、nk模塊庫Simulink基本的建模方法如下：1在Simulink環(huán)境中，編輯模型2.在Simulink環(huán)境中，進行模塊操作JlJjlslslsJilJilJilsslJilslsglslJil-J-J- “.廠2-“廣；- -卜-!,-；. .；-一.-.1-.1 ,i,is-Commonly UEd BlocksCmt limousDi scoutinuiDi screteLogic and Bit OperationsLookup TablesMath Operationsffli&del VerificationMod&l-Wide UtilitiPorts &

53、 SubsystemsSi評al At tri butesSignal RoutingSink雪SourcesUserDefined Fund i1Additional Math & Discrete田*&!恥片0寸砒Blockset田CDMAReference BlocksetLogic wd BitOper ati onsLookup TablesMath OperaticsnsModel Verifi cati onlModel_Wi de Utili tiesForts & SubsystemsSignal AttributesRoutingSirJkszlT

54、ft Simulink南昌航空大學科技學院學士學位論文273 Simulink環(huán)境中運行模塊4 Simulink環(huán)境中進行模塊保存南昌航空大學科技學院學士學位論文28例已知單位負反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數為Simulink仿真模型并進行仿真。建立上述模型的基本步驟如下：建立一個空白的Simulink仿真模型窗口，如下圖4-3所示選擇所需要的Simulink模塊，傳遞函數模型需要Continuous（連續(xù)系統(tǒng)）模塊庫的Transfer Fen模塊，單位階躍信號所需要Sources模塊庫中的Step模塊，此外還需要Math Opwrations模塊庫的Add模塊及Sinks模塊庫的Scope模塊，并將他

55、們復制到圖所示的空白模 型中，如圖4-4所示。攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。 建立傳遞函數的模型如圖4-2所示，有已知條件可知開環(huán)傳遞函數由3部分組成，因此首先建立傳遞函數模型部分趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。圖4-2傳遞函數模型（4）連接模塊如圖4-5所示，其模型由4個部分組成，即傳遞函數Step,Seope和Add組成。其中傳遞函數有三個部分組成，G1和G2串聯然后和G3并聯。Scope模塊是示波器，可以講仿真運行數據生成二維曲 線，且只能以仿真時間t作為橫坐標，其中Step是階躍波信號，設置其 仿真參數，然后運行。結果如圖4-6所示夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。1 10 2s22s5 s 4 2.5s 1試建立

56、其G3南昌航空大學科技學院學士學位論文29圖4-3 Simulink仿真模型窗口Illstld EditSimulati on Format Teels為電鬼|aeI10 0阪爲i三I爭型U欝已| mReadyStDAddaSocpode45圖4-4系統(tǒng)模塊南昌航空大學科技學院學士學位論文30圖4-5連接模塊圖4-6系統(tǒng)仿真結果仿真結果分析：通過Simulink得出了系統(tǒng)傳遞函數的特性曲線，其輸入是階躍 信號作為測試信號，從仿真結果中可以得出：達到峰值時間需要2.6s，最大超調量為4.6%,上升時間1.4s,延遲時間為1.6s，調節(jié)時間為3.8s。超調量是對 動態(tài)偏差的度量，同時又反映系統(tǒng)響應

57、過程的平穩(wěn)性，其超調量在25%-2.5%之間系統(tǒng)是在比較理想的狀態(tài)，所以可知系統(tǒng)是比較理想的。 延遲時間，上升時間南昌航空大學科技學院學士學位論文31和峰值時間均表征系統(tǒng)響應初始段的快慢，是一種敏感性指標，可知系統(tǒng)的系統(tǒng)響應初始段的速度比較快。調節(jié)時間表示過渡過程持續(xù)的時間，調節(jié)時間為3.8s，時間相對較長，所以過渡時間比較長，綜上所述系統(tǒng)可認定為穩(wěn)定系統(tǒng)。視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖栃。南昌航空大學科技學院學士學位論文325離散系統(tǒng)5.1離散控制系統(tǒng)的數學模型由于數字計算機，特別是微處理器的發(fā)展，數字控制器在許多場合取代了模 擬控制器，基于工程實踐的需要，作為分析和設計數字控制器系統(tǒng)的基礎理論， 離散

58、系統(tǒng)理論發(fā)展非常迅速。偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)相比，既有本質的不同，又有分析研究方面的相似性，利用Z變換研究離散系統(tǒng)，可把線性連續(xù)系統(tǒng)中的許多概念和方法推廣到線性離 散系統(tǒng)中。緦徑銚膾齲轎級鏜撟廟。差分方程有些對象的運動，其自變量本身不是連續(xù)的時間，而是等間距的離散的時刻。 對于這類控制對象，其控制作用的值有計算機每隔一定時間給出一個。這時把這些自變量記作x(kT)，即自變量不再是連續(xù)時間而是整數序列，而描述這類對象 運動的方程被稱為差分方程。這時把這些自變量記作x(kT)，即自變量不再是連續(xù)時間而是整數序列，而描述這類對象運動的方程被稱為差分方程。騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。通常情

59、況下，差分方程可表示為：y(k) an _iy(k -1)川aiy(k -(n -1) aoy(k - n)二bmu(k) | biu(k -(m -1) bou(k - m)推廣到多變量系統(tǒng)中，可根據每一路輸入與每一路輸出之間的差分關系， 立描述該系統(tǒng)的差分方程組：y (k) +aj(n)yi(k -1)+川+ayi(k -(n 1) +ajoyi(k _n)=bjmUj(k) III bijiuj(k-(m-1) bjouj(k-m)其中，0i num=4 -6.8 3.0num =4.0000 -6.80003.0000 den=1-1.8 0.9den =1.0000 -1.80000

60、.9000 dstep( nu m,de n) title(單位階躍響應曲線)dimpulse( nu m,de n)南昌航空大學科技學院學士學位論文34 title（單位脈沖響應曲線）得出結果如圖5-1和5-2所示。Fi gjtreEdit Yi fr*Icl Uektp泄indx Help Q S fe龜嵯 S 單位階舐響應曲域- 1-圖5-1單位階躍響應曲線5353.2南昌航空大學科技學院學士學位論文352.離散系統(tǒng)的根軌跡函數和頻域響應函數根軌跡相關的函數只要為函數rlocus。有離散時間系統(tǒng)H “2.5Z 0.04,采樣周期為Ts=0.1s，繪制其根軌跡z2-0.6z+0.53圖。 dsys=tf(0.5 0.04,1 -0.6 0.53,0.1)Tran sf