计算机控制技术与MATLEB仿真结合论文.docx
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计算机控制技术与MATLEB仿真结合论文
计算机控制系统与MATLEB仿真论文
专业：
电气工程及其自动化
年级：
电气三班
姓名：
张杰
学号：
11160321
计算机控制技术与MATLEB仿真结合论文
计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。
计算机控制系统由微型计算机、外部设备、输入输出接口及通道、检测机构和执行机构、被控对象以及相应的软件组成。
它的特点是：
①计算机控制系统是模拟信号和数字信号的混合系统。
②计算机控制系统具有很好的灵活性和适应性。
③计算机控制系统可以看成是离散控制系统。
④计算机控制系统的控制效率非常的高。
⑤计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断能力，可以实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。
根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可以将计算机控制系统分为以下几种类型。
1操作指导控制系统，这是一种开环控制过程。
其结构简单，控制灵活和安全。
缺点是要人工操作，速度受到限制，不适合快速系统的控制和多个对象的控制。
它一般用在计算机控制系统的研制初级阶段，或者是用在新的数学模型试验以及新程序的调试阶段。
2直接数字控制系统，是一种闭环控制过程，计算机不仅能完全取代模拟控制器，实现多回路的控制，而且不改变系统的硬件电路，只通过改变程序就能实现复杂的控制规律，如前馈控制、自适应控制、最优控制等。
3监督计算机控制系统，简称SCC系统。
有两种不同的结构形式：
一种是SCC+模拟调节器系统；另一种是SCC+DDC系统。
监督计算机控制方式的效果，主要取决生产过程的数学模型的优劣，而这个模型一般是针对一个目标函数设定的，如果这个数学模型能使目标函数达到最优，则这种控制方式就能实现最优控制。
监督计算机控制系统中SCC计算机输出是控制的最优给定值，不是人为给定的，因此这种控制系统又可以称为给定值控制。
4分布控制系统，也称为集散控制系统。
根据分布控制系统将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制任务，把系统分三级管理：
分散过程控制级、监督级、管理级。
5计算机集成制造系统，是对企业生产过程和生产管理进行优化的生产管理控制系统。
他将企业的计划、采购、生产、销售整个生产过程统一考虑进行优化决策和最优生成过程控制。
已达到最高的生产效率和最低的生产成本以及产品质量的高度可靠。
随着生产力及生产规模的发展，对计算机控制系统的要求也逐渐提高。
目前，计算机控制系统有如下几个发展趋势。
1集散控制系统
集散控制系统的特点是分散控制、集中管理。
从系统结构分析看，集散控制系统由三大基本部分组成，即分散过程控制装置部分、集中操作和管理部分及通信系统部分。
在集散控制系统中，一台控制器控制一个回路或若干个回路这样可以避免在采集中计算机控制系统时，若计算机出现问题，将对整个生产装置或整个生产系统带来严重后果的影响。
集散控制系统中用一台或几台计算机对全系统进行全面信息管理，这样便于实现生产过程的全局优化。
2计算机集成制造系统
计算机集成制造系统简称CIMS，是在自动化信息技术以及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂的全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产过程及生产材料和销售等有机地集成起来，统一决策，实现批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。
3可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器简称PLC，它吸收了微电子技术和微型计算机技术，发展迅速。
如今的PLC无一例外地采用微处理器作为主控器，又才用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，其性能各方面都达到了比较成熟的地步，在工业界已经普遍应用。
4智能控制系统
智能控制是在无人干预的情况下能自动地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。
智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。
智能控制技术的主要方法有模糊控制、基于知识的专家控制、神经网络控制和集成智能控制等。
常用的优化算法有：
遗传算法、蚁群算法、免疫算法等。
智能控制主要应用于以下几个方面：
①工业过程中的智能控制
②机械制造中的智能控制
③电力电子学研究领域中的智能控制。
离散系统仿真
离散系统的最广泛应用形式是以数字计算机为控制器的数字控制系统。
模拟信号经过采样开关和A/D转换器，按一定的采样周期T转换为数字信号，经计算机或其他数字控制处理后，再经D/A转换器和保持器将数字信号转换为模拟信号来控制被控对象，以实现数字控制。
离散控制系统在自动控制领域中越来越多地被广泛应用，它具有以下基本特点：
1以数字计算机为核心组成实际的控制器，可实现复杂的控制要求，控制效果好，并可以通过软件方式改变控制规律，控制方式灵活。
2数字信号传输可有效抑制噪声，提高系统的抗干扰能力。
3可采用高灵敏度的控制元件，提高系统的控制精度。
4可用一台数字计算机实现对几个系统的分时控制，提高设备利用率，经济性好。
5便于组成功能强大的集散控制系统。
MATLEB语言是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言。
它集成度高，使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且很容易有用户自行扩展。
与其他计算机语言相比，MATLEB具有以下显著特点。
1MATLEB是一种解释性语言。
输入算式即得出结果，无需编译，对每条语句解释后立即执行。
若有错误也立即做出反应，便于编程者马上改正。
2变量的“多功能性”（每个元素都看做复数，每个变量代表一个矩阵）。
3运算符号的“多功能性”（所有的运算都对矩阵和复数有效）。
4强大而简易的作图功能（如果数据齐全，只需一条命令即可给出相应的图形）。
5智能化程度高。
6语言规则与笔算式相似。
7功能丰富，可扩展性强。
MATLEB软件包括基本部分和专业扩展部分。
基本部分包括：
矩阵的运算和各种变换,代数和超越方程的求解，数学处理和傅里叶变换及数值积分等。
MATLAB仿真在工程上用来完成系统的设计、性能评估、测试等工作。
在科学实验上用来进行数学模型、专业模型的模拟，复杂数值计算等工作。
在大学，用来完成一些高等数值计算。
在经济领域，可以进行数据评价，数值分析和预测等。
MATLAB的PID控制在计算机中的应用
PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定比较复杂，利用MATLAB实现PID参数整定及其仿真的方法，并分析比较比例、积分、微分控制。
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。
PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：
比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。
这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。
如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。
MATLEB仿真PID控制
例1：
比例（P）控制：
单位负反馈控制系统的开环传递函数Gc（s）=1/（s+1）（2s+1）（5s+1）,采用P控制，Kp=0.1,2.0,2.4,3.0,3.5，求单位阶跃响应，并绘制响应曲线。
G=tf（1,conv（conv（[1,1],[2,1]）,[5,1]））
kp=2
tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
fori=1:
5
G1=tf（[kp*tou（i）,kp],1）
sys=feedback（G1*G,1）
step（sys）
holdon
end
运行结果为：
G=tf（1,conv（conv（[1,1],[2,1]）,[5,1]））
Transferfunction:
1
-------------------------
10s^3+17s^2+8s+1
>>kp=2
kp=
2
>>tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
tou=
00.30000.70001.50003.0000
>>fori=1:
5
G1=tf（[kp*tou（i）,kp],1）
sys=feedback（G1*G,1）
step（sys）
holdon
end
Transferfunction:
2
Transferfunction:
2
-------------------------
10s^3+17s^2+8s+3
Transferfunction:
0.6s+2
Transferfunction:
0.6s+2
---------------------------
10s^3+17s^2+8.6s+3
Transferfunction:
1.4s+2
Transferfunction:
1.4s+2
---------------------------
10s^3+17s^2+9.4s+3
Transferfunction:
3s+2
Transferfunction:
3s+2
--------------------------
10s^3+17s^2+11s+3
Transferfunction:
6s+2
Transferfunction:
6s+2
--------------------------
10s^3+17s^2+14s+3
图形为：
例2：
比例微分（PD）控制:
单位负反馈控制系统的开环传递函数Gc（s）=1/（s+1）（2s+1）（5s+1）,采用PD控制，Kp=2，微分系统τ=0,0.3,0.7,1.5,3，求单位阶跃响应，并绘制响应曲线。
G=tf（1,conv（conv（[1,1],[2,1]）,[5,1]））
kp=2
tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
fori=1:
5
G1=tf（[kp*tou（i）,kp],1）
sys=feedback（G1*G,1）
step（sys）
holdon
end
运行结果：
>>G=tf（1,conv（conv（[1,1],[2,1]）,[5,1]））
Transferfunction:
1
-------------------------
10s^3+17s^2+8s+1
>>kp=2
kp=
2
>>tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
tou=
00.30000.70001.50003.0000
>>fori=1:
5
G1=tf（[kp*tou（i）,kp],1）
sys=feedback（G1*G,1）
step（sys）
holdon
end
Transferfunction:
2
Transferfunction:
2
-------------------------
10s^3+17s^2+8s+3
Transferfunction:
0.6s+2
Transferfunction:
0.6s+2
---------------------------
10s^3+17s^2+8.6s+3
Transferfunction:
1.4s+2
Transferfunction:
1.4s+2
---------------------------
10s^3+17s^2+9.4s+3
Transferfunction:
3s+2
Transferfunction:
3s+2
--------------------------
10s^3+17s^2+11s+3
Transferfunction:
6s+2
Transferfunction:
6s+2
--------------------------
10s^3+17s^2+14s+3
图形为：
例3绘制离散系统时域响应曲线
num=[1];
den=[111];
[numd,dend]=c2dm（num,den,1）;
dstep（numd,dend）
图为：
数字PID控制的现实意义
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
PID控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被控制变量。
比如，它可以用来控制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。
一些控制系统把数个PID控制器串联起来，或是链成网络。
这样的话，一个主控制器可能会为其他控制输出结果。
一个常见的例子是马达的控制。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
但仍不可否认PID也有其固有的缺点：
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。
最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
MATLEB仿真技术应用范围广泛，涉及科目广，通过学习计算机控制技术使我对MATLEB了解更深，能更好的运用所学的MATLEB。
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