matlab在自动控制原理中的应用毕业设计论文文档格式.docx

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摘要

本论文主要研究如何根据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正设计，而此设计又具有很重要的现实意义。

对于给定的线性定常系统，我们通常通过加入串联超前、滞后或超前滞后综合校正装置，以达到提高系统的精度和稳定性的目的。

本文将给出基于频率特性法串联校正的具体设计方法，同时对该课题中的控制系统模型进行仿真。

本设计可实现如下功能：

对一个线性定常系统，根据需求的性能指标，通过本设计可给出系统的串联校正网络，从绘制出的各种响应曲线可以直观地将校正前后的系统进行比较，而仿真实例结果也进一步表明了此设计方法有效性和实用性。

关键词：

串联校正；

根轨迹；

频率特性法；

MATLAB

Abstract

Inthispaperwewilldiscusshowtodesignacascadecompensatoraccordingtotheusers’requirementsforautomaticControlSystem，whichisofaveryimportantpracticalsignificance．Foragivenlinearregularsystem，weusuallycontactedacascadelead，acascadelagoracascadelead—lagcompensatorinthepurposeofgreaterprecisionandstabilityofthesystem．Whatwillbealsogiveninthispaperisthespecificdesignmethodology，whichisbasedonthefrequencycharacteristicsmethod．Atthesametime，wewillvisualizethemodeloftheControlSysteminthispaper．Thedesigncanachievethefollowingfunctions：

Ourdemandsforalinearregularsystemwillberealizedbyinputtingthemthroughtheinterface．Thenwecanobviouslyseethetworesponsecurvesincomparison．Thesimulationresultsoftheexamplesdemonstratedtheeffectivenessandtherelevanceofthedesignmethodology．

KeyWords：

CascadecompensationRoot-locusFrequencycharacteristicsMATLAB

第1章绪论

1．1研究目的

在实际工程控制中，往往需要设计一个系统并选择适当的参数以满足性能

指标的要求，或对原有系统增加某些必要的元件或环节，使系统能够全面满足

性能指标要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。

当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号应具有的最大速

度和加速度要求等，可以初步选定执行元件的形式、特性和参数。

然后，根据

测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及非线性度等

因素，选择合适的测量变送元件。

在此基础上，设计增益可调的前置放大器与

功率放大器。

这些初步选定的元件以及被控对象适当组合起来，使之满足表征

控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。

如果通过调整放大器增益后

仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性

可按需要改变的校正装置，使系统能够全面满足设计要求，这就是控制系统设

计中的校正问题。

系统设计过程是一个反复试探的过程，需要很多经验的积累。

MATLAB／Simulink为系统设计提供了有效手段。

1．2相关研究现状

系统仿真作为一种特殊的实验技术，在20世纪30-90年代的半个多世纪中经历了飞速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的实验科学。

自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门设计自动控制理论、计算机数学、计算机技术、系统辩识以及系统科学的综合性新型学科。

它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学等提供了快速、经济、科学及有效的手段。

自动控制系统仿真就是以自动控制系统模型为基础，采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对自动控制系统进行实验、．分析、评估及预测研究的一种技术与方法。

1．3研究方法

自动控制系统仿真包括以下几个基本步骤：

问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析，其流程如图1．1所示：

（1）建立数学模型

图1．1计算机仿真流程图

控制系统模型，是指描述控制系统输入、输出变量以及内部变量之间关系

的数学表达式。

控制系统模型可分为静态模型和动态模型，静态模型描述的是

自动控制系统变量之间的静态关系，动态模型描述的是自动控制系统变量之间

的动态关系。

最常用、最基本的数学模型是微分方程与差分方程。

（2）建立仿真模型

由于计算机数值计算方法的限制，有些数学模型是不能直接用于数值计算

的，如微分方程，因此原始的数学模型必须转换为能够进行系统仿真的仿真模

型。

例如，在进行连续系统仿真时，就需要将微分方程这样的数学模型通过拉

普拉斯变换转换成传递函数结构的仿真模型。

（3）编写仿真程序

控制系统的仿真涉及很多相关联的量，这些量之间的联系要通过编制程序来实现，常用的数值仿真语言有C、FORTRAN等，近年来发展迅速的综合计算仿真软件，如MATLAB也可以用来编写仿真程序，而且编写起来非常迅速、界面友好，已得到广泛应用。

（4）进行仿真实验并分析实验结果

在完成以上工作后，就可以进行仿真实验了，通过对仿真结果的分析来对仿真模型与仿真程序进行校验和修改，如此反复，直到达到满意的实验效果为止。

1．4本次设计的主要内容以及目前学术届近一步研究的趋势

1.4.1本次设计的主要内容

（1）本论文主要是利用MATLAB7．0对频率法校正进行编程，生成用于进行系统校正的通用程序。

（2）然后通过对实例的仿真说明其对自动控制系统的串联校正设计的通用性。

（3）用户可以随时查看系统校正前后的各种图形，从中可以直观地看出

系统的各种性能指标。

1.4.2目前学术界近一步研究的趋势

随着计算机技术的发展与进步，与之紧密结合的计算机仿真技术也飞速发

展，其发展趋势主要表现在以下方面：

（1）硬件方面：

基于多CPU并行处理技术的权术子仿真将有效提高仿真

系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。

（2）应用软件方面：

直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。

（3）分布式数字仿真：

充分利用网络技术进行分布式仿真，投资少，效果好。

（4）虚拟现实技术：

综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人仿佛置身于真实环境之中，这就是“仿真”

。

第2章开发工具

2．1MATLAB编程语言发展历程及特点

MATLAB的产生是与数学计算紧密联系在一起的。

1980年，美国新墨西哥州大学计算机系主任CleveMoler在给学生讲授线性代数课程时，发现学生在高级语言编程上花费很多时间，于是着手编写供学生使用的Fortran字程序库借口程序，他将这个接I：

I程序取名为MATLAB（即MatrixLaboratory的前三个字母的组合，意为“矩阵实验室”）。

这个程序获得了很大的成功，受到学生的广泛欢迎。

20世纪80年代初期，Moler等一批数学家与软件专家组建了MathWorks软

件开发公司，继续从事MATLAB的研究和开发，1984年推出了第一个MATLAB商业版本，其核心是用C语言编写的。

而后，它又添加了丰富多彩的图形图像处理、多媒体、符号运算以及与其他流行软件的借口功能，使得MATLAB的功能越来越强大。

MathWorks公司正式推出MATLAB后，于1992年推出了具有划时代意义的

MATLAB4.0版本；

1999年推出的MATLAB5.3版在很多方面进一步改进了MATLAB的功能，随之推出的全新版本Simulink3.0也达到了很高的档次；

2000年10月推出的MATLAB6.0版本，在操作界面上有了很大的改观，同时还给出了程序发布窗口、历史信息窗口和变量管理窗口等，为用户提供了极大的方便；

2001年6月，MATLAB6.1版即Simulink4.0版问世，功能已十分强大，其虚拟现实工具箱更给仿真结果三维视景下显示带来了新的解决方案；

2001年6月推出了MATLABReleasel3，即MATLAB6.5／Simulink5.0，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等多方面有了极大的改进；

2004年9月正式推出MATLABReleasel4，即MATLAB7.0／Simulink6.0，其功能在原有的基础上又有了进一步的改进，它是MATLAB目前最新的版本。

MATLAB经过几十年研究与不断完善，现已成为国际上最为流行的科学计算

与公车功能计算机软件工具之一，现在的MATLAB已经不仅仅是一个最初的“矩

阵实验室”了，它已发展成为一种具有广泛应用前景、全新的计算机高级编程语

言。

自20世纪90年代，在美国和欧洲大学中，将MATLAB正式列入研究生和本科生的教学计划，MATLAB软件已成为应用代数、自动控制原理、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等课程的基本教学工具，成为学生所必须掌握的基本软件之一。

在研究单位和工业界，MATLAB也成为工程师们必须掌握的一种工具，被认作进行高效研究与开发的首选软件工具，其特点是：

（1）可扩展性：

MATLAB最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立制定功能的M文件。

（2）易学易用性：

MATLAB不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。

（3）高效性：

MATLAB语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。

它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。

2．2MATLAB系统构成

MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函