基于matlab的计算机控制系统仿真平台的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于matlab的计算机控制系统仿真平台的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

控制算法，而每一种算法在建立前是不成熟的．这就需要采取仿真技术改进算法，并进行优化设计。 控制系统仿真经历了物理模型仿真，模拟计算机仿真和数字计算机仿真三个过程。 物理模型仿真是以物理过程相似、几何尺寸相似及环境条件相似为基础的仿真。 数学仿真是以综合参数比例相似及信息规律传递相似为基础的仿真。 物理仿真的优点是能最大限度地反映系统的物理本质，具有直观性及形 象化的特点，它能将模型中发生的综合过程在模型中全面反映出来。 但它的缺点是为建造物理模型所需的费用高、周期长、技术复杂等。 而数学仿真不仅经济、方便、而且通用性强，在一定程度上满足了小系统或简单系统的仿真。 但是对于复杂的系统，数字仿真的局限性就明显表现出来，首先它建立的数学模型描述能力有局限性，它不能或难以描述复杂系统的某些问题或现象：它所使用的仿真方法主要是近似的数值解法，缺少知识推理、逻辑判断和学习训练等智能特性。 因此，把仿真技术和人工智能技术相结合发展智能仿真技术，成为仿真技术发展的一个新的焦点。 当前仿 真研究的前沿课题主要有：仿真与人工智能技术的结合，分布式仿真与仿真模型的并行处理，图形与动画仿真，建模环境与仿真支持系统等。 计算机控制系统 虽然控制规律灵活多样，改动方便；控制精度高，抑制扰动能力强，能实现 最优控制 ；能够实现数据统计和工况显示，控制效率高；控制与管理一体化，进一步提高自动化程度。 但是由于 经典控制理论 主要研究的对象是单变量常系数 线性系统 ，它只适用 于单 输入单输出控制系统。 系统的数学 模型 采用 传递函数 表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法。 现代控制理论 主要采用最优控制、 系统辨识 和 最优估计 、 自适应控制 等分析和设计方法。 而系统分析的数学模型主要用状态空间描述。 随着要研究的对象和系统越来越复杂，依赖于数学模型的传统控制理论难以解决 复杂系统 的控制问题： 北京理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 4 (一 )不确定性的 模型 传统控制是基于 模型 的控制， 模型 包括控制对象和干扰模型。 传统控制通常认为 模型 是已知的或经过辨识可以得到的，对于不确定性的模型 ，传统控制难以满足要求。 (二 )高度非线性在传统的控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性控制方法可供使用，但总的来说，到 2020 年为止 ,非线性控制理论 还很不成熟，有些方法又过于复杂，无法广泛应用。 (三 )复杂的任务要求在传统的控制系统中，控制任务往往要求输出量为定值或者要求输出量跟随期望的 运动轨迹，因此控制任务比较单一。 但过于复杂的控制任务是传统的控制理论无能为力。 本文的主要内容和结构安排 本文采用模型建立→算法选择→系统仿真的三段式步奏，完成最小拍有纹波、最小拍无纹波、大林算法等仿真设计。 全文共分四章，具体安排如下： 第一章是绪论，阐述了基于 MATLAB 的计算机控制系统仿真平台设计的 背景和意义，对计算机和 MATLAB 的发展及现状作了简要的回顾和划分。 对仿真平台做了简单的分析，并由此指出了本次研究的主要内容。 第二章对 MATLAB 软件进行 了介绍。 MATLAB 领域中高效便捷的运算和简易直观的特点，以及优秀而强大的仿真功能，使得它成为自动化领域中最为常用的工具。 第三章为基于 MATLAB 的计算机控制系统仿真平台的设计，对 MATLAB 进行了仿真和比较。 第四章是对本课题的总结与展望，分析该设计的不足并提出改进措施。 北京理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 5 第二章 基于 MATLAB 的控制系统仿真 MATLAB 简介 MATLAB 是 MATrix 和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成，简称为矩阵实验室，被誉为 “巨人肩上的工具 ”，它是一种以矩阵运算为 基础的交互式程序语言。 它作为一种编程语言和可视化工具，可解决工程、科学计算和数学学科中许多问题。 它建立在向量、数组和矩阵的基础上，使用方便，人机界面直观，输出结果可视化，矩阵是 MATLAB 的核心。 MATLAB 的应用非常广泛，在很多领域都有着重要的地位，在大学高等数学教学上可以作为辅助工具来进行教学。 概括的讲，整个 MATLAB 系统由两部分组成，即 MAI39。 LAB 内核及辅助工具箱，两者的调用构成了 MATLAB 的强大功能。 其语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句、函数、数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言。 MATLAB 是国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，有人称它为 “第四代 ”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。 MATLAB 是数值计算的先锋，它以矩阵作为基本数据单位，在应用线性代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、动态系统仿真方面已经成为首选工具，同时也是科研工作人员和大学生、研究生进行科学研究的得力工具。 本文简要提及了 MATLAB的发展史以及其基本知识，对 MATLAB 的矩阵计算、数值计算尤其是图形处理做了详细阐述 , 包含了大量操作实例。 在工程技术数值运算领域中， MATLAB软件是一套高效强大的系统仿真软件，它普遍应用于现代的汽车制造、半导体制造、航空航天、电子通讯、医学研究等范畴，被称之为 “巨人肩膀上的工具 ”。 MATLAB 系统由五个重要部分组成： MATLAB 的语言体系、 MATLAB 的工作环境、图形系统、 MATLAB 的数学函数库、 MATLAB 的应用程序接口（ API）。 MATLAB 软件提供了一个可以集成化的开发环境，用户可以利用这个集成环境方便地进行设计仿真模型，执行仿真过程，并分析仿真结果。 它具有以下几个特点： MATLAB 软件编程效率高，易于使用： MATLAB 语言被 称作 “演算纸式 ”的科学计算语言，它将编辑、编译、连接和执行结合在一起。 能够灵活地排除在程序流程中的编写错误、语法错误以及语义错误，从而使得用户编写、改正和调试程序的速度得以加快。 ，语句简便，内涵非常丰富：在 MATLAB 中的用户文件可用做库函数来调用，用户可根据自身开发的需要方便地简历和扩充新的库函数，以提高其使用效率和扩充它的功能。 并且同一个函数名 fun，不同数目的输入变量北京理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 6 （包括无输入变量）及不同数目的输出变量分别代表着不同的含义 [5]，这不仅使得 MATLAB 的库函数功能更 丰富，同时大大降低了磁盘空间的需要，使得其编写的 M 文件简单短小，快速高效。 、方便的绘图功能等：在 MATLAB 中，运算符大部分无需改变，可以照搬到数组间的运算，它不需要定义数组位数，并且包含有关于矩阵函数、特殊矩阵等专门的库函数，使之在求解信号处理、建模和系统识别、控制等问题时更为简捷、高效。 它还具备一系列的绘图函数，比如对数坐标、线性坐标、极坐标和半对数坐标等，均只要调用不同的绘图函数。 还有在图中标出斜轴标注、图题、格（栅）绘制等也只需要调用相对应的命令即可，简单易行。 其他特点： (1)运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高。 (2)既具有结构化的控制语句，如 for 循环、 while 循环、 break 语句、 if 语句和 switch 语句。 又有面向对象的编程特性。 (3)图形功能强大。 具有丰富的绘图命令，可以绘制二维、三维图形，以及 对图形进行处理和修饰。 (4)独具特色的应用工具箱。 主要为 :功能性工具箱和学科性工具箱。 (5)扩展性强。 用户可自由地开发自己的应用程序。 MATLAB 主要功能包括 : (1)数据分析、可视化 (2)数值和符号计算 (3)工程与科学绘图 (4)控制系统与通讯系统的设计与仿真 (5)数字图像处理和信号处理技术 MATLAB 工作环境 在桌面上双击 MATLAB 图标即可启动 MATLAB 系统。 在屏幕上默认打开的 MATLAB 窗口，主要包括 : (1)命令窗 (Command Window)程序的运行都需在此窗口中发生， “》 ” 为运算提示符，表示 MATLAB 处于准备状态，当在 “》 ”后输入一段运算程序，然后按 enter 健，命令窗口就会直接显示运算结果。 (2)工作空间游览器 (Workspace)工作空间窗口是 MATLAB 一个变量管理中心，可以显示变量的名称、数学结构、该变量的字节数及其类型，同时用不同的图标表示矩阵、元胞数组、字符数组、构架数组等变量类型。 北京理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 7 (3)历史命令窗口 (Command History)你已执行过的每条命令会在此窗口中显示，并注明了执行时间，方便你的查询。 (4)当前路径窗口 (Current Directory)当前路径窗口显示着当前用户工作所在的路径。 在此窗口用户可以查看、重命名、或删除当前路径文件或文件夹，也可以 更改文件默认保存路径，还可以对文件进行打开、执行等一系列操作。 (5))帮助游览器 (Help Browser ) 的帮助窗口非常全面，该软件 的所有内容选择 MATLAB 主窗口中 Help 下拉菜单中的前四项命令中的任何一项， 几乎均可进入帮助窗口。 变量和字符串 在 MATLAB 中有一些变量被预定了某个特定的值 ,我们把它们称为常量。 这些常量主要有 : Pi:圆周率 ans:用作结果的默认变量名 eps:浮点数相对误差 inf:无穷大 i 和 j:虚数单位 NaN 或 nan:不定数 变量是 MATLAB 的基本元素之一 ,在 MATLAB 语言中 ,变量的命名有如下规则 (1)变量名必须以字母开头 ,后面可以为其他字符。 (2)变量名区分大小写。 (3)变量名长度不超过 31 位 ,超过 31 位的字符系统将忽略不计。 需要注意的是 ,用户如果在对某个变量赋值时 ,该变量已经存在 ,系统则会自动使用新值代替旧值。 MATLAB 当中的字符串是由 单 引号括起来的简单文本。 在字符串中的每个字符是数组里的一个元素 ,因为字符串是数值数组 ,所以可以使用一些函数来实现字符串和数值之间的相互转换。 见表 21 所示。 表 21 字符串和数值转换函数 函数 功能 函数 功能 北京理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 8 eval 求字符串的值 num2str 数值转换成字符串 feval 求由字符串给定的函数值 Setstr 将 ASCII 码转换成字符串 blanks (n) 创建有 n 个字符串的空格 str2num 将字符串转换成数值 deblank 去掉字符串的尾部空格 lower 将字符串的字母转换成小写 int2str 将整数转换成字符串 upper 将字符串的字母转换成大写 基本运算符号和常用函数 22 所示。 表 22 数值运算符号表 符号 功能 + 加法 减法 * 乘法 / 除法 \ 左除 23 所示。 表 23 常用标点符号表 标点符号 意义。 取消运行显示 , 区分列 （） 指定运算优先级别 ... 续行号 “ 字符号的标示符号 % 注释语句 向量、矩阵与数组 1. 向量的生成 在 MATLAB 中 ,生成向量最简单的方法就是在命令窗口中按一定格式直接输入。 输入的格式要求是 ,向量元素用 “[]”括起来 ,元素之间用空格、逗号或者分号相隔 ,用空格或逗号生成行向量。 用分号生成列向量。 2. 矩阵的生成 北京理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 9 矩阵的生成有多种方式 ,通常使用的有四种方法 : (1) 在命令窗口中直接输入矩阵 (2) 通过语句和函数产生矩阵 (3) 在 M 文件中建立矩阵 (4) 从外部的数据文件中导入矩阵 其中在命令窗口中直接输入矩阵是最简单、最常 用的创建数值矩阵的方法。 把矩阵的元素直接排列到方括号中 ,每行内的元素用空格或逗号相隔 ,行与行之间的内容用分号相隔。 特殊矩阵生成函数如表 24 所示。 表 24 特殊矩阵生成函数 函数 功能 eye(m,n) 生成单位矩阵 zeros(m,n) 生成零矩阵 ones(m,n) 生成全 1 的矩阵 rand(m,n) 生成随机元素的矩阵 3. 数组的创建 (1)一维和二维数组直接元素输入 X=[l 2 3 4 5 6]生成 1x6 行向量。 x=[l 2 3。 4 5 6]生成 2x3 二维数 组。 (2)x=a:increment:b 创建从 a 开始 ,加 increment 记数 ,到 b 结束的行向量(increment 省略。