精品计算机仿真大作业姚雷阳班Word格式文档下载.docx
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1.1自己定义一组数据，并将其保存到文件data.dat。
要求第一列为时间t（t为等差数列，0≤t≤200）；
第二列为与t对应的201个幅值数据，作为信号f1（t）的幅值；
第三列为按s的降幂排列的传递函数分子系数；
第四列为按s的降幂排列的分母系数。
第三列、第四列的数据个数不能超过5个。
MATLAB文本：
>
a=0:
1:
200;
b=random（'
Poisson'
0:
200,1,201）;
c=[98621];
d=[75431];
fid=fopen（'
d:
\data.dat'
'
wt'
）;
fprintf（fid,'
%4d'
a）;
\n'
b）;
c）;
d）;
fclose（fid）;
图1data.dat的读入
2、读文件数据并画图操作
2.1读入data.dat数据，画出f1（t）的时域波形。
fid=fopen（'
rt'
t=fscanf（fid,'
%d'
201）;
f1=fscanf（fid,'
fclose（fid）;
plot（t,f1）
title（'
f1-t曲线图'
xlabel（'
t'
ylabel（'
f1'
图2f1曲线图
3、构造新函数并绘图操作
3.1
求取f2（t），将结果保存到result.mat文件，画出其时域波形。
forn=1:
10
f2（n）=2*f1（n）;
end
forn=11:
100
ifabs（f1（n））<
15
f2（n）=f1（n）*f1（n）;
else
f2（n）=f1（n-3）;
forn=101:
201
plot（t,f2）
f2-t曲线图'
f2'
\result.mat'
fprintf（fid,'
f2）;
图3f2曲线图
4、读取数据绘制传递函数波特图操作
4.1按data.dat中的第三列、第四列，求取其对应的传递函数，绘制其bode图。
f=fscanf（fid,'
402）;
num=fscanf（fid,'
5）;
den=fscanf（fid,'
num1=ctranspose（num）;
den1=ctranspose（den）;
Gs=tf（num1,den1）
Gs=
9s^4+8s^3+6s^2+2s+1
-------------------------------
7s^4+5s^3+4s^2+3s+1
Continuous-timetransferfunction.
bode（Gs）
图4系统波特图
二、子系统封装
1、用Simulink建立系统
程序要求：
1.1用SIMULINK建立系统：
y=ax3+bx+c，x为输入，y为输出,a、b、c为常数。
对该系统进行封装，要求通过对话框能修改a、b、c的值。
图5 未封装系统
图6封装后系统
图7参数更改界面
2、观察输入输出波形
2.1若输入x为幅度为5、频率为0.25Hz的锯齿波，采用示波器显示输出y及输入x的波形。
图8输入x波形
图9输出y波形
3、数据导出
3.1将输入x和输出y导入到工作空间，并采用plot命令，将两个波形在同一波形窗口显示，带网格线、图例。
Matlab文本：
x=simout;
y=simout1;
plot（x）;
holdon;
plot（y）;
y=simout1;
plot（x,'
r'
holdon;
plot（y,'
k'
grid on
legend（'
x'
y'
）
图10输入输出导入工作空间
图11导入工作空间的波形
三、PID控制器参数整定
某控制系统的开环传递函数为
，采用单位负反馈。
（1）试采用工程整定法，设置合适的P、PI、PID控制器的参数。
（2）将仿真时间定为300秒，绘制整定后的系统的单位阶跃响应曲线。
（3）设计M文件，采用编程法求取系统阶跃响应性能指标：
超调量、调节时间。
1、采用工程整定法分别设置控制器参数
1.1先建立原控制系统的Simulink仿真模型
图12原系统仿真模型
1.2对原控制系统进行仿真
输入为单位阶跃函数，得阶跃响应如图13所示，可知原控制系统是不稳定的。
图13原系统仿真输出波形图
1.3在该控制系统中引入PID控制器
采用工程整定法中的临界比例度法来设置合适的P、PI、PID控制器参数。
引入PID控制器后的系统仿真模型如图14所示。
图14封装前的仿真模型
图15封装后仿真模型
通过下面的对话框可以修改个各比例系数的值。
图16修改比例系数截图
1.4求取系统临界稳定增益并设置参数
采用工程整定法进行PID调整。
具体做法是：
令Ti为无穷，Td为零，只有Kp控制系统；
首先，随意设置一个增益Kp（初始值一般为1）并且不断加大或者减小Kp，直到系统出现等幅震荡，可以测出Kp=0.9的时候，系统恰好出现等幅震荡情况，此时的比例系数称为临界增益，用Kc表示。
图17Kp=0.9临界震荡波形
求此时震荡周期Tc：
Matlab文本：
num=9;
den=[11101];
G1=tf（num,den）;
G=feedback（G1,1）;
step（G）
图18matlab仿真临界震荡波形Tcr=2s
根据整定法公式，计算所需参数。
表1经验法公式
根据表1可以求得各个控制器的参数：
P控制：
K=0.45
PI控制：
K=0.405Ti=1.66
PID控制：
K=0.54Ti=1Td=0.24
2、PID控制仿真并绘图
2.1P控制仿真
将I，D连线断开，设置Pk为0.45，比例控制系统的单位阶跃响应波形如下：
图19Kp=0.45（P）波形
（1）
图20Kp=0.45（P）波形
（2）
P值的改变只改变信号的增益而不影响其相位。
从图中可以看出，经过调整P值参数，系统的超调量和调节时间（动态性能）有很大的提高，但是造成了一定的稳态误差（因为此时Kp<
1）。
2.2PI控制仿真
比例积分控制系统的单位阶跃响应：
图21Kp=0.405Ti=1.66（PI）波形
（1）
图22Kp=0.405Ti=1.66（PI）波形
（2）
从图中可以看出，在P控制的基础上加入I控制后，形成PI控制，系统稳态误差有所减少，但是超调量和调节时间有所加大，这可以看出，PI控制适用于对系统稳态误差（稳态性能）要求精度大，但是对于调节时间（动态性能）要求精度小的实际模型。
2.3PID控制仿真
将仿真时间定为300秒，绘制整定后的系统的单位阶跃响应曲线（PID）。
比例积分微分控制下的单位阶跃响应：
图23Kp=0.54Ti=1
Td=0.24（PID）波形
（1）
图24Kp=0.54Ti=1
Td=0.24（PID）波形
（2）
由图形可以看出，PID控制后，无论是稳态误差（稳态性能）还是调节时间（动态性能）都有所加强，但是超调量超过了40%，不符合实际要求，再次调整PID参数，把PID中的参数Ti改为7，其它两个参数不变，得到如下阶跃响应曲线，可以看出调整后系统的阶跃响应的超调量小于20%，可以实现稳、准、快三大要求，也符合实际工程要求，因此PID联合控制适用于对动态性能和稳态性能都有要求的实际系统。
图25 调整后的PID阶跃响应曲线
3、制作M文件求取系统阶跃响应性能指标
PID控制后系统的传递函数为：
G=
1.3s^2+5.4s+0.77
-----------------------------------
s^4+s^3+11.3s^2+6.4s+0.77
M文件如下：
num=[1.35.40.77];
den=[1111.36.40.77];
t=0:
0.01:
100;
y=step（num,den,t）;
plot（t,y）
G=tf（num,den）;
C=dcgain（G）;
[Y,k]=max（y）;
chaotiao=（Y-C）/C
chaotiao=
0.0558
i=length（t）;
while（y（i）>
0.98*C）&
（y（i）<
1.02*C）;
i=i-1;
ts=t（i）
ts=
16.4600
图26系统阶跃响应波形
四、总结
（1）校正方法总结
P控制器只改变信号的增益，而不影响其相位。
Kp增大可以减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定，所以，很少单独使用P控制规律。
PI控制器在系统中增加一个位于原点的开环极点和一个位于S左半平面的开环零点，只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱，主要用来改善控制系统的稳态性能。
PID在系统中增加一个位于原点的开环极点和两个负实零点，具有提高系统稳态性能的优点外，在提高系统动态性能方面有更大的优越性。
（2）总体体会
此次计算机仿真大作业，使我更加熟练地运用Matlab，特别是Simulink模块，实践出真知，只有在实践中才能真正明白如何运用Matlab解决实际中的问题。
这次大作业让我更加透彻地理解本学期所学习的知识，不仅仅是计算机仿真，还有自动控制原理，对我以后的学习和工作有着很大的帮助。
五、参考文献
[1]薛定宇. 控制系统仿真与计算机辅助设计. 机械工业出版社 2009.
[2]胡寿松. 自动控制原理. 国防工业出版社 2005.
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