运动控制MATLAB仿真

大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真

运动控制技术课程名称：

名：姓电气学院院：学

自动化业：专

号：学

孟濬指导教师：

2012年6月2日

------------------------------------- -------------学浙大江

李超

一、Matlab仿真截图及模块功能描述

Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型：

模块功能描述：

⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机

⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩

⑶Demux：将向量信号分离出输出信号

⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速

⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号

的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。

⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期

⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0；

若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1；

若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变

输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角

：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。GTO⑻晶闸管斩波．⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。

⑽电压传感器Vd：测量电机端电压

⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形

系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。

下面对各个部分的功能加以详细说明：

（1）直流电机

双击电动机模块，察看其参数：

为了了解电机的内部结构，右键、点击Look Under Mask，如下图所示：

（2）负载

该模型采用了两种类型的负载可供选择，即恒转矩负载与阶跃转矩负载，（Torque

Step）

（3）速度控制环

速度控制主要是通过速度控制器实现的。速度控制器的输出为Iref，是下一

级的电流控制器的参考输入。wm和wref是速度控制器的两个输入，其中wm表示电机转速；wref是参考转速输入，通过一个选择开关将两个速度参考输入接入：Ref .Speed和Speed Step。

双击Speed Step，得到其详细情况：

用示波器观察如下所示：

在速度控制器（Speed Control）上右键、点击Look Under Mask后，得到具体结

构如下所示：

由此可见，速度控制器实际上是一个比例积分环节PI：

Iref=(wref-wm)*(Kp+)

相应的，双击速度控制器，得Kp=1.6，Ki=16，限流值30A，即：

Iref=(wref-wm)*(1.6+)

（4）电流控制环

Iref和Ia是电流控制器的两个输入，只是Ia先经过了滤波器Filter。双击Filter 以了解其详情：

电流控制器的输出信号接入GTO的门极以实现其开关。在电流控制器上右键>Look Under Mask后，具体结构如下所示：

这是个滞环比较结构。当Iref大于Ia时，输出为1，当Iref小于Ia时，输出为0。

（5）开关管GTO

GTO的门极驱动信号为电流控制器的输出，当输出为1时，GTO开通，当输出为0时，关断GTO，电枢回路通过电感Ls和而二极管D1续流。其参数如图所

示：

（6）示波器

Scope是示波器，双击之，得其图像。

这个主要是用来观察在给定信号后电动机各个量的变化情况。

二、仿真结果及分析

当转速改变、转矩改变下电机运行性能会发生很大的改变，下面分别予以仿真分析。

（1）首先看当转矩选择恒转距5Nm、转速参考量选择常量120rad/s时和转矩转速均为阶跃信号的结果。

上图是电机的起动过程：速度控制器的参考端突加给定120rad/s，电机开始启动。初始转速为0，速度控制器的输出饱和30A。当电流从0开始增长时，电流控制器的输出为1，GTO导通，电流很快达到饱和值30A左右，GTO关断。随着电机转速逐渐上升，反电动势将增大，电枢电流减少，当下降到30A以下时，GTO 重新开通，电流上升；如此电流在30A附近不断变化。最后，电流基本稳定在30A左右，但是此时转速尚未上升到给定值。

一旦转速超过120rad/s时，速度控制器将退出饱和，GTO关断，电枢电流将会慢慢下降，随之电机的输出转矩下降；电机转矩小于负载转矩时，点击开始减速，逐渐回到速度给定值，此时电枢电流也达到稳定。

最终，电流和转速都逐渐趋于稳定

值。．

进一步放大得到更精确的图像

与预测结果基本一致。．（2）突加转矩的情况

结果如下图所示：

放大后如下图所示：

可以看出，在1.2s突加转矩之前的图像与上一种情况完全一样。在突加转矩之后，由于阻力矩的变大，转速不能突变，但是仍然出现了波动而变小。同时为了提供相应的转矩，电流明显增大。这是因为随着转速的下降，电机的反电动势将减小，由此电枢电流立即增大，同时电机转速上升，当超过一定值时，GTO关断，电流逐渐下降；最终达到新的稳定值，而电机转速恢复原来的值。

（3）突加转矩、转速的情况

结果如下图所示：

在前面的分析基础上我们对这种情况进行剖析。在0.4s之前，是电机的启动过程，与似一种情况的完全一致。此为第一阶段。

在0.4s改变转速参考值，转速控制器将重新达到饱和，未达到要求转速，相当于点击启动过程尚未完成。电枢电流将继续很快达到饱和值，维持一段时间后，随着转速上升到一定值而下降，转速最终稳定在160rad/s附近。电流也将达到稳定值，因为负载转矩没有改变，此值与第一阶段的稳态电流值一致，此为第二阶段。

在1.2s将负载转矩改变，由于相当是突加负载，由于电机转速的下降，感应电势将下降，导致电枢电流的上升，输出转矩也将随之上升，以补偿负载转矩的增量，如此，最终转速基本维持稳定。由于负载转矩的上升，电枢电流将维持在一个新的更高的值附近，此为第三阶段，如上图所示。

下面研究PI参数对电机性能的影响。

如上所述，转速PI调节器为一比例积分运算单位，关系式如下：

Iref=(wref-wm)*(Kp+)

有三个参数：比例系数Kp、积分系数Ki和电流限幅值Imax。下面分别对其影响进行分析，这里将参考转速和负载转矩做为常数：

（1）Kp对电机性能的影响

由PI调节器的传递函数可知，当Kp增大时，转速的变化将进一步被放大，系统在状态之间变化更快。同理，当Kp减少时，系统经历的暂态时间会更长，即在状态之间的变化会很慢。下面分别为Kp=0.16 Kp=1.6和Kp=32时，系统转速和电枢电流的变化曲线，可见结论基本正确。

Kp=0.16

Kp=1.6：

Kp=32

可见，转速、电流无明显超调，电流变化速度快，系统动态响应速度快。

将此Kp=32的波形与Kp=0.16的波形对比可知，增大了转速PI调节器的比例系数，电流变化速度明显加快。原系统电流变化时间在0.1s左右，而此系统电流变化几乎可以认为在瞬间完成。系统的动态响应变好。

另外，电机转速变化速度主要受到电流限幅值的约束，因此变化不大。

但是，若比例系数过大，当转速稍稍超过给定转速，输入误差为很小的负数时，经过比例系数的放大后也会起主导作用，使给定电流值急剧下降到稳态值以下，从而出现电流尖峰。因此，在整定比例系数时，应适当，不可过大或过小。

（2）Ki对电机性能的影响

Ki为积分周期的倒数，将积分参数Ki改小，则转速的超调量增大，但转速与电

流波形振荡减弱，电流波形会平稳很多。下面分别进行比较，系统的转速和电枢电流变化情况.

Ki=16

Ki=1.6

Ki=0.16

对比Ki=16的波形与Ki=1.6波形可知，前者电流、转速由明显的超调，电流变化速度基本不变，两个系统动态响应速度相同。由此得出结论：增大积分系数后，积分作用变强，系统超调量增加，但动态响应速度变化不大。因此，积分系数不能过大，当然，也不能过小。

基本符合结论，但是当Kp太大的话会使Ki影响不明显，因此为了方便观察，

基于Matlab的自动控制系统设计与校正

自动控制原理课程设计设计题目：基于Matlab的自动控制系统设计与校正

目录 第一章课程设计内容与要求分析.................................................... 错误！未定义书签。 1.1设计内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 1.3 Matlab软件 (2) 1.3.1基本功能 (2) 1.3.2应用 (2) 第二章控制系统程序设计 (4) 2.1 校正装置计算方法 (4) 2.2 课程设计要求计算 (4) 第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析 (6) 3.1校正系统的传递函数 (6) 3.2用Matlab仿真 (6) 3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应 (8) 3.2.1原系统单位阶跃响应 (8) 3.2.2校正后系统单位阶跃响应 (8) 3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较 (8) 3.4硬件设计 (8) 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图 (9) 课程设计心得体会 (10) 参考文献 (12)

1 第一章 课程设计内容与要求分析 1.1设计内容 针对二阶系统 )1()(+= s s K s W ， 利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数 11 )(++-=Ts Ts K s W c c α， 其中 1 3 2R R R K c += ， 1 ) (13243 2>++ =αR R R R R ，C R T 4=， “-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S 断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 1.2 设计要求 1 1.0)(≤∞e ，开环截止频率ω’≥45°； 2 3） 4）设校正装置网络元件参数R4、5R=100K ，C=1μF 、10μF 若干个）； 6）利用Matlab 仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线,并验算设计结果； 7）在Matlab-Simulink 下建立系统仿真模型，求校正前、后系 统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较； 8）利用自动控制原理实验箱完成硬件设计过程，包括：搭建校正前后 c R R

自动控制原理MATLAB仿真实验报告

实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析） 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些？ 2、 如何判断系统稳定性？ 3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法 （一） 四种典型响应 1、 阶跃响应： 阶跃响应常用格式： 1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应： 脉冲函数在数学上的精确定义：0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为：) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = （二） 分析系统稳定性 有以下三种方法： 1、 利用pzmap 绘制连续系统的零极点图； 2、 利用tf2zp 求出系统零极点； 3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 （三） 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.

基于MATLAB的控制系统仿真

科技信息 1.引言 控制系统仿真是指以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具对控制系统进行实验和研究的一种方法。利用仿真工具对控制系统进行设计与仿真,可以有效地对比各种控制模型与方案,选取并优化相关控制参数,从而对整个控制系统的性能进行优化与提高,尤其是对于一些新型控制理论与算法的研究,进行系统仿真更是必不可少的。因此，控制系统仿真是应用现代科学手段对控制系统进行科学研究的十分重要的手段之一。 M ATLAB 是由美国MathWorks 公司于1984年推出的专门用于科学、 工程计算和系统仿真的优秀的科技应用软件。在其发展的过程中,不断溶入众多领域的一些专业性理论知识,从而出现了功能强大的MATLAB 配套工具箱,如控制系统工具箱（Control System Toolbox ）、模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)、神经网络工具箱(Neural Network Tool-box),以及图形化的系统模型设计与仿真环境(SIMULINK)。SIMULINK 工具平台的出现,使得控制系统的设计与仿真变得相当容易和直观,成为众多领域中计算机仿真、计算机辅助设计与分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选应用软件。 2.基于MATLAB 的控制系统仿真过程 控制系统仿真过程一般可以分为以下几个阶段：控制系统数学模型的建立、控制系统仿真模型的建立、控制系统仿真程序的编写和控制系统仿真实验及结果分析。 2.1控制系统数学模型的建立数学模型是计算机仿真的基础，是指描述系统内部各物理量（或变量）之间关系的数学表达式。控制系统的数学模型通常是指动态数学模型，自动控制系统最基本的数学模型是输入输出模型，包括时域的微分方程、复数域的传递函数和频率域中的频率特性。除了输入输出模型之外，表示控制系统的数学模型还有状态空间模型、结构图模型等。 2.2控制系统仿真模型的建立 控制系统通常由多个元部件相互连接而成，其中每个元部件都可以用一组微分方程或传递函数来表示。控制系统仿真模型的建立主要与各子系统的仿真模型的连接方式有关，主要有三种基本互联模型：串联、并联和反馈连接。在实际的控制系统中，常常采用混合联接方式，既有串联、并联，还有反馈连接。 2.3控制系统仿真的实现 M ATLAB 控制系统工具箱提供了大量的命令用于实现控制系统的仿真，包括模型创建命令、模型变换命令、模型简化命令、模型实现命令、模型特性命令、时域响应命令、频域响应命令等，这些命令涵盖了单变量和多变量控制系统分析、设计的各个方面。其输入方法分别为在SIM ULINK 环境下用仿真模块建模和在命令窗口用仿真命令编程两种方法进行仿真，然后运行仿真系统得到单位阶跃响应图，并根据单位阶跃响应图分析控制系统的动态性能指标，从而评价控制系统性能的优劣。 3.基于MATLAB 的控制系统仿真实例例如，一控制系统由5个子系统组成，其组成结构如图1所示。各 子系统的传递函数分别为：G 1(s)=s 2 +5s+12s 2+15s+6;G 2(s)=4(s+6)(s+2)(s+20) ;G 3(s)= 10;G 4 (s)=s+1;H(s)=0.1。 首先，在SIMULINK 环境下建立控制系统仿真模型，即将所需的仿 真模块按题中的要求连接起来，如图2所示， 并按要求设置好相应的参数，然后运行仿真得到单位阶跃响应图如图3所示。 图1控制系统的结构图 图2控制系统的仿真模型 图3控制系统的阶跃响应 从控制系统的单位阶跃响应曲线可以看出，其超调量为0.32s ，峰值时间为0.8s ，调节时间为3.2s 。 4.结束语 通过M ATLAB 的动态仿真工具箱SIMULINK ，可以方便、快捷地构造各种控制系统的仿真模型，并能直观地观察到其控制性能，是控制系统优化设计的有力工具。 参考文献［1］曹志国,廉小亲.基于MATLAB 的两种模糊控制系统的仿真方法［J ］.计算机仿真，2004（3）:41-44 ［2］张葛祥，李娜.MATLAB 仿真技术与应用［M ］.北京：清华大学出版社，2003 ［3］来长胜,陈凤兰.基于MATLAB 的控制系统仿真教学研究［J ］.机械工程与自动化,2010（2）:189-190 ［4］黄伟忠.单级倒立摆FUZZY-PD 控制系统的建模与仿真［J ］.计算机应用技术，2009（2）：40-43 基金项目：本文系海南省教育厅高等学校科学研究项目（Hj2009-134），琼州学院青年教师科研基金项目（QY200913）。 作者简介：孙志雄（1974-），男，副教授，主要研究方向为电子与通信技术。林雄（1962-），男，教授，主要研究方向为神经网络和模糊系统。 基于MATLAB 的控制系统仿真 琼州学院电子信息工程学院 孙志雄 林雄 ［摘要］本文介绍了MATLAB 语言和控制系统工具箱（Control System Toolbox ）以及如何在SIMULINK 环境下构造控制系统的仿 真模型，并通过实例介绍了控制系统仿真的过程。［关键词］控制系统MATLAB 仿真博士·专家论坛 429——

增量式PID控制算法的MATLAB仿真

增量式PID 控制算法的MATLAB 仿真 PID 控制的原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 一、 题目：用增量式PID 控制传递函数为G(s)的被控对象 G （s ）=5/(s^2+2s+10), 用增量式PID 控制算法编写仿真程序（输入分别为单位阶跃、正弦信号，采样时间为1ms ，控制器输出限幅：[-5,5],仿真曲线包括系统输出及误差曲线，并加上注释、图例）。程序如下 二、 增量式PID 原理 { U(k)= ?u(k)+ U(k-1) 或 { U(k)= ?u(k)+ U(k-1) 注：U(k)才是PID 控制器的输出 三、 分析过程 1、对G(s)进行离散化即进行Z 变换得到Z 传递函数G(Z)； 2、分子分母除以z 的最高次数即除以z 的最高次得到； )]}2()1(2)([)()]1()({[)(-+--++ --=?n n n T T n T T n n K n U D I P O εεεεεε)] 2()1(2)([)(i )]1()([)(-+--++--=?n n n Kd n K n n K n U P O εεεεεε

基于MATLAB的过程控制

摘要 水箱和换热器是过程控制中的典型对象，本设计主要以水箱液位控制系统和换热器温度控制系统为例，通过建立数学模型，确定对象的传递函数。利用Matlab的Simulink 软件包对系统进行了仿真研究，并对仿真结果进行了深入的分析。 在水箱液位控制系统中，通过建立数学模型以及实验中对实验数据的分析，分别确定了单容、双容、三容水箱对象的传递函数。在simulink软件包中建立了各系统的仿真模型。通过对仿真曲线的研究，分析了控制器参数对系统过渡过程的影响。 在换热器温度控制系统中，根据自动控制系统工艺过程，利用降阶法确定了对象的传递函数。在软件包Simulink中搭建了单回路、串级、前馈—反馈控制系统模型，分别采用常规的PID、实际PID和Smith预估器对系统进行了仿真研究，通过仿真曲线的比较，分析了各种控制系统的特点。 关键词：过程控制；MATLAB；仿真；水箱；换热器

Simulation and Research of Process Contro1 System Based on MATLAB Abstract Water tank and Heat exchanger are typical object in the process control in the design,The control system of tank level and heat interchange is used as an example.The transfer function object is defined by setting up the mathematical model.I carry on simulation research on the system by using Matlab’s simulink simulation.and deeply analyze the result of the simulation. In the system, which control the level of the tank. The transfer function of a single-tank, double-tank, three-tank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. Simulation model of all system set up simulink simulation. The effect that controller parameter composes on the system is analyzed through the research on the simulation cuvers. In the control system of heat inter change. The design uses reduction method and defines the transfer function of the object.according to the technical process in the automatic system.The control system model of single loop, cascade, feed forward-feedback is established. Simulation research on there system is carried on through using conventional PID, the actual PID and Smith predictor , While the characteristics those control system are compared. Key words: Process Control; Matlab;Simulation; Water tanks; Heat exchanger

MATLAB控制系统与仿真设计

MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127

指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid

某温度控制系统的MATLAB仿真

课程设计报告 题目某温度控制系统的MATLAB仿真（题目C）

过程控制课程设计任务书 题目C ：某温度控制系统的MATLAB 仿真 一、 系统概况： 设某温度控制系统方块图如图： 图中G c (s)、G v (s)、G o (s)、G m (s)、分别为调节器、执行器、过程对象及温度变送器的传递函数；，且电动温度变送器测量范围（量程）为50～100O C 、输出信号为4～20mA 。G f (s)为干扰通道的传递函数。 二、系统参数 二、 要求： 1、分别建立仿真结构图，进行以下仿真，并求出主要性能指标： (1)控制器为比例控制，其比例度分别为δ＝10％、20％、50％、100％、200％时，系统广义对象输出z(t)的过渡过程； (2)控制器为比例积分控制，其比例度δ＝20％，积分时间分别为T I ＝1min 、3min 、5min 、10min 时，z(t)的过渡过程； 0m v o 0f o o =5min =2.5min =1.5(kg/min)/mA =5.4C/(kg/min) =0.8 C C T T K K K x(t)=80f(t)=10； ；；； ；给定值； 阶跃扰动

(3)控制器为比例积分微分控制，其比例度δ＝10％，积分时间T I＝5min，微分时间T D = 0.2min时，z(t)的过渡过程。 2、对以上仿真结果进行分析比对，得出结论。 3、撰写设计报告。 注：调节器比例带δ的说明 比例控制规律的输出p(t)与输入偏差信号e(t)之间的关系为 式中，K c叫作控制器的比例系数。 在过程控制仪表中，一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ定义为 式中，(z max-z min)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(p max-p min)为控制器输出信号的变化范围。 = c p(t)K e(t) max min ( ) =100% ) max min e z z p(p-p δ - ?

基于MATLAB的智能控制系统的介绍与设计实例最新毕业论文

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 武汉科技大学 智能控制系统 学院：信息科学与工程学院 专业：控制理论与控制工程 学号： 姓名：李倩

基于MATLAB的智能控制系统的介绍与设计实例 摘要 现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法己不能满控制的要求。智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。MATLAB是现今流行的一种高性能数值计算和图形显示的科学和工程计算软件。本文首先介绍了智能控制的一些基本理论知识，在这些理论知识的基础之上通过列举倒立摆控制的具体实例，结合matlab对智能控制技术进行了深入的研究。 第一章引言 自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量能自动地按照预定的规律变化。它是介于许多学科之间的综合应用学科，物理学、数学、力学、电子学、生物学等是该学科的重要基础。自动控制系统的实例最早出现于美国，用于工厂的生产过程控制。美国数学家维纳在20世纪40年代创立了“控制论”。伴随着计算机出现，自动控制系统的研究和使用获得了很快的发展。在控制技术发展的过程中，待求解的控制问题变得越来越复杂，控制品质要求越来越高。这就要求必须分析和设计相应越来越复杂的控制系统。智能控制系统(ICS)是复杂性急剧增加了的控制系统。它是由控制问题的复杂性急剧增加而带来的结果，其采用了当今其他学科的一些先进研究成果，其根本目的在于求解复杂的控制问题。近年来，ICS引起了人们广泛的兴趣，它体现了众多学科前沿研究的高度交叉和综合。 作为一个复杂的智能计算机控制系统，在其建立投入使用前，必要首先进行仿真实验和分析。计算机仿真(Compeer Simulation)又称计算机模拟(Computer Analogy)或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在计算机上对该仿真模型

复杂过程控制系统设计与Simulink仿真

银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师

目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)

复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。

基于MATLAB的PID控制器设计说明

基于MATLAB的PID 控制器设计

基于MATLAB的PID 控制器设计 一、PID控制简介 PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。 积分作用:可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。 微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。 所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e（t）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u（t），送给对象模型加以控制。 PID控制器的数学描述为 其传递函数可表示为: 从根本上讲, 设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。 二、MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。 1、PID控制器的Ziegler-Nichols参数整定 在实际的过程控制系统中, 有大量的对象模型可以近似地由一阶模型 来表示。这个对象模型可以表示为 sL - e sT 1 K G(s) + = 如果不能建立起系统的物理模型, 可通过试验测取对象模型的阶跃响应, 从而得到模型参数。当然, 我们也可在已知对象模型的情况下, 利用MATLAB，通过使用step ( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中, 可获取K 、L 和T参数, 也可在MATLAB中由dcgain ( ) 函数求取 K值。

基于MATLAB的控制网平差程序设计--第四章源代码

chkdat函数（72页） function [n1,k]=chkdat(sd,pn,n1) n=length(n1); k=0; for i=1:n i1=0; for j=1:sd if(n1(i)==pn(j)) i1=1; n1(i)=j; break; end end if(i1==0) % fprintf(fit2,'%5d %5d\n',i,n1(i) k=1; end end return readlevelnetdata函数（73页） function [ed,dd,sd,gd,pn,h0,k1,k2,h1,s]=readlevelnetdata global filename filepath; global ed dd sd pn gd h0 k1 k2 h1 s k11 k12; k1=[];k2=[];h=[];s=[]; [filename,filepath]=uigetfile('*.txt','选择高程数据文件'); fid1=fopen(strcat(filepath,filename),'rt'); if(fid1==-1) msgbox('Input File or Path is not correct','Warning','warn'); return; end ed=fscanf(fid1,'%f',1); dd=fscanf(fid1,'%f',1); sd=ed+dd; gd=fscanf(fid1,'%f',1); pn=fscanf(fid1,'%f',sd); h0=fscanf(fid1,'%f',ed); h0(dd+1:ed+dd)=h0(1:ed); heightdiff=fscanf(fid1,'%f',[4,gd]); heightdiff=heightdiff'; k1=heightdiff(:,1);%起点 k2=heightdiff(:,2);%终点 k11=heightdiff(:,1);%起点

基于Matlab的自动控制系统设计与校正

自动控制原理课程设计 设计题目：基于Matlab的自动控制系统设计与校正

目录 目录 第一章课程设计内容与要求分析 (1) 1.1设计内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 1.3 Matlab软件 (2) 1.3.1基本功能 (2) 1.3.2应用 (3) 第二章控制系统程序设计 (4) 2.1 校正装置计算方法 (4) 2.2 课程设计要求计算 (4) 第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析 (6) 3.1校正系统的传递函数 (6) 3.2用Matlab仿真 (6) 3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应 (10) 3.2.1原系统单位阶跃响应 (10) 3.2.2校正后系统单位阶跃响应 (11) 3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较 (12) 3.4硬件设计 (13) 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图 (14) 课程设计心得体会 (16) 参考文献 (18)

第一章 课程设计内容与要求分析 1.1设计内容 针对二阶系统 )1()(+= s s K s W ， 利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数 11 )(++-=Ts Ts K s W c c α， 其中 132R R R K c += ，1 )(13243 2>++=αR R R R R ，C R T 4=， “-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S 断开，该装置相当于一个放 大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 1.2 设计要求 1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差1.0)(≤∞e ，开环截止频率ωc’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°； 2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数； 3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线； c R R

PID自适应控制学习与Matlab仿真

PID自适应控制学习与Matlab仿真 0 引言 在P ID控制中，一个关键的问题便是P I D参数整定。传统的方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PID参数。然而实际的工业过程往往难以用简单的一阶或二阶系统来描述，且由于噪声、负载扰动等因素的干扰，还可以引起对象模型参数的变化甚至模型结构的政变。这就要求在P I D 控制中。不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，而PID参数能在线阐整，以满足实时控制的要求。 1 自适应控制的概念及分类 控制系统在设计和实现中普通存在着不确定性，主要表现在：①系统数学模型与实际系统间总是存在着差别，即所谓系统具有末建模的动态特性；②系统本身结构和参数是未知的或时变的；③作用在系统上的扰动往往是随机的，且不可量测；④系统运行中，控制对象的特性随时间或工作环境改变而变化，且变化规律往往难以事先知晓。 为了解决控制对象参数在大范围变化时，一般反馈控制、一般优控制和采用经典校正方法不能解决的控制问题。参照在日常生活中生物能够遏过自觉调整本身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性。为此，提出自适应控制思想。 自适应控制的概念 所谓自适应控制是指对于控制对象的动态信息了解得不够充分对周围环境变化尚掌握不够明确的情况下控制系统对控制器的参数进行积极的自动调节。 自适应控制方法应该做到：在系统远行中，依靠不断采集控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，优化性能准则，产生自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态下。 作为较完善的自适应控制应该具有以下三方面功能： (1)系统本身可以不断地检测和处理理信息，了解系统当前状态。 (2)进行性能准则优化，产生自适应校制规律。 (3)调整可调环节(控制器)，使整个系统始终自动运行在最优或次最优工作状态。 自适应控制是现代控制的重要组成部分，它同一般反馈控制相比较有如下突出特点： (1) 一般反馈控制主要适用于确定性对象或事先确知的对象，而自适应控制主要研究不确定对象或事先难以确知的对象。 (2) 一般反馈控制具有强烈抗干扰能力，即它能够消除状态扰动引起的系统误差，而自适应控制因为有辨识对象和在线修改参数的能力，因而能消除状态扰动引起的系统误差，而且还能消除系统结构扰动引起的系统误差。 (3) 一般反馈控制系统的设计必须事先掌握描述系统特性的数学模型及其环境变化状况，而自适应控制系统设计则很少依赖数学模型全部，仅需要较少的验前知识，但必须设计一套自适应算法，因而将更多地依靠计算机技术实现。 (4) 自适应控制是更复杂的反馈控制，它在一般反调控制的基础上增加了自适应控制机构或辨识器，还附加一个可调系统。 自适应控制系统的基本结构与分类 通常，自适应控制系统的基本结构有两种形式，即前馈自适应控制和反馈自适应控制。 1.2.1 前馈自适应控制结构 前馈自适应控制亦称开环自适应控制，它借助对作用于过程信号的测量。并通过自适应机构按照这些测量信号改变控制器的状态，从而达到改变系统特性的目的。没有“内”闭

基于Matlab 的对过程控制系统的PID 整定

基于Matlab 的对过程控制系统的PID 整定-企业管理论 文 基于Matlab 的对过程控制系统的PID 整定 孔凡杨 河南省心连心化肥有限公司河南新乡453700 摘要：本文就分析了串级控制系统的特点和设计，并分析了基于MATLAB 的增量式PID 算法应用在其中的应用，通过分析发现PID参数整定方法能够很好地实现串级控制系统的精度和稳定性。 关键词：MATLAB；串级控制；PID 整定 笔者在此介绍了一种采用基于MATLAB 的增量式PID 控制的双容无自衡串级贮槽液料控制系统，并在PID 参数整定方法的作用下实现了控制系统的良好控制效果。 1 串级控制系统的相关特点和设计分析 在对纯滞后和时间常数较大的对象控制中可使用串级控制系统，其对于系统控制质量的提高主要表现在以下几个方面，第一，是它能够很好地克服副回路中的二次干扰；第二，它能够使控制对象的时间常数减小；第三，它能够使动态特性在被控过程中得到改善，依此使控制系统的工作频率得以提高；第四，这种串级控制系统还能很好地适应操作条件和负荷的变化。 主回路和主参数的设计选择。在某些条件下，最直接有效的质量指标也可被选为主参数，不然在选择主参数时相关人员还可以选择一个与产品质量有单值函数关系的参数，但是灵敏度和工艺过程的合理性是这个被选主参数必须满足的条件。

副回路和副参数的设计与选定。较强的抑制扰动能力和较快的调节速度是串级控制系统副回路具备的主要优势，所以相关人员可以把尽可能多的一些扰动干扰放在副回路的设计中以充分利用副回路自身的优势，使其减少干扰对主参数的影响以提高其控制质量。 2 基于MATLAB 的串级控制系统分析 本文介绍的是一个串联式双容无自衡液位过程，由上方的进料管液料流进贮槽S1，然后再经过管道液料又流进贮槽S2，这时液料的流出受到变频调速器的控制，如果此变频调速器的工作频率是固定不变的，那么一个积分时间常数不变的积分环节就会在贮槽S2 中构成，在当前的工艺生产过程中液料位通常被要求在贮槽S2 中保持某一定值，令被控制量为h，使S1 中进料体积流量q 为控制变量，在这种情况下这个串联式双容无自衡液位过程的机构式可列为： 在这个串级控制系统中(如上图所示)，副参数被选择为贮槽S1，主参数被选择为贮槽S2 的液位h，当控制系统运行时来自反馈的贮槽液位测量值就会被变频器收集并实现与设定值的对此，之后相关数据值就会被送入PID 模块进行计算，并实现输出频率的自动更改，以对液料流量和电机的转速实现调整，从而使贮槽液位实现稳定，和贮槽S1、S2 分别对应的液位传感器1 和2 将对其对应的贮槽信号的检测结果在A /D 转换的作用下传送到计算机，然后分别与两个PID 调节器设定值对比，并实现对其差别进行判断和计算。 MATLAB 的两个PID 算法程序被上位机所调用，PID1 的输入信号就是

基于MATLAB的PID控制器设计报告

基于MＡTＬAB的ＰID控制器设计报告

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基于ＭＡT ＬAB 的PI Ｄ 控制器设计 一.PID 控制简介 PID 控制是最早发展起来的经典控制策略， 是用于过程控制最有效的 策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定， 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果， 具有很大的适应性和灵活性。 PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(t r 与实际输出值)(t c 构成的 控制偏差: )(t e =)(t r －)(t c 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称为ＰID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P 、I 、D 基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如,P 调节器，PI 调节器,PI Ｄ调节器等。 综上我选择P ＩＤ调节： 比例调节反应速度快，输出与输入同步,没有时间滞后，其动态特性好,但是比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值,而产生余差。比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。在实际应用中为了达到更高的要求,常根据对象的特征和控制要求，将P 、I 、D 基本控制规律进行适当组合,以达到对被控对象进行有效控制的目的。所以我选择ＰID 调节。 P ＩD 是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被 控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是： 比例- 来控制当前,误差值和一个负常数P(表示比例）相乘，然后和预 定的值相加。Ｐ只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说,一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°Ｃ。那么它在１0°Ｃ的时候会输出100%，在15°C 的时候会输出5０%，在１9°C 的时候输出１0%,注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。 积分 - 来控制过去,误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负

基于MATLAB的控制系统稳定性分析报告

四川师范大学本科毕业设计 基于MATLAB的控制系统稳定性分析 学生姓名宋宇 院系名称工学院 专业名称电气工程及其自动化 班级 2010 级 1 班 学号2010180147 指导教师杨楠 完成时间2014年 5月 12日

基于MATLAB的控制系统稳定性分析 电气工程及其自动化 本科生宋宇指导老师杨楠 摘要系统是指具有某些特定功能，相互联系、相互作用的元素的集合。一般来说，稳定性是系统的重要性能，也是系统能够正常运行的首要条件。如果系统是不稳定，它可以使电机不工作，汽车失去控制等等。因此，只有稳定的系统，才有价值分析与研究系统的自动控制的其它问题。为了加深对稳定性方面的研究，本设计运用了MATLAB软件采用时域、频域与根轨迹的方法对系统稳定性的判定和分析。 关键词：系统稳定性 MATLAB MATLAB稳定性分析

ABSTRACT System is to point to have certain function, connect with each other, a collection of interacting elements. Generally speaking, the stability is an important performance of system, also is the first condition of system can run normally. If the system is not stable, it could lead to motor cannot work normally, the car run out of control, and so on. Only the stability of the system, therefore, have a value analysis and the research system of the automatic control of other problems. In order to deepen the study of stability, this design USES the MATLAB software using the time domain, frequency domain and the root locus method determination and analysis of the system stability. Keywords: system stability MATLAB MATLAB stability analysis

基于MATLAB的DSPace快速控制原型开发系统

微纳科技cSPACE快速控制原型开发系统（基于MATLAB的DSP快速控制原型开发系统） 一.产品简介 (1) 二.系统组成 (2) 三.硬件资源 (4) 四.应用案例 (6) 4.1.直线电机驱动的二级倒立摆的控制 (6) 4.2.磁悬浮球系统的控制 (8) 4.3.三容水箱过程控制实验系统的控制 (9) 4.4.采用磁流变液阻尼器的1/4车辆振动实验系统的控制 (10) 一.产品简介 快速控制原型（Rapid Controller Prototyping，RCP）和硬件在回路实时仿真(Hardware-in-Loop，HIL)是目前国际上控制系统设计的常用方法，它把计算机仿真（纯软件）和实时控制（硬件在回路）有机结合起来，用户可把仿真结果直接用于实时控制，极大提高控制系统的设计效率。目前，这一系统或设计方法已经在高校和实验室得到普遍采用，最典型的例子为德国的dSPACE快速控制系统原型设计系统。 dSPACE卡是一个基于MATLAB/Simulink开发环境的自动代码生成工具，拥有快速控制原型开发和硬件在环仿真功能。应用这种方法，可使电控单元系统及机械控制系统的开发和测试简捷和高效。因此，dSPACE已经成为运动控制和过程控制开发的好工具，受到了全球用户的欢迎。 本公司研制的cSPACE快速控制原型和硬件在回路开发系统（以下简称cSPACE系统）基于TMS320F2812DSP开发，与dSPACE 公司的DS1104卡相当，拥有AD、DA、IO、Encoder和快速控制原型开发、硬件在环仿真功能，通过Matlab/Simulink设计好控制算法，将输入、输出接口替换为公司的cSPACE