毕业论文基于matlab的自动控制系统仿真

毕业论文基于matlab的自动控制系统仿真内容摘要：

理想的微分环节的方框图如图 图 微分环节方框图 若输入为单位阶跃信号，即  ttr 1 ，则输出的单位阶跃响应为 （ 27）      TssR sCsG 1   dttdrTrc      TssR sCsG      tdt tdrtC   8 这是一个面积为 τ的脉冲，脉冲宽为零，幅值为无穷大，理想微分环节的输入和输出如图。 图 理想微分环节的单位阶跃响应 微分环节的特点是，其输出与输入信号对时间的微分成正比，即输出反映了输入信号的变化率，而不反映输入量本身的大小。 因此，可由微分环节的输出来反映输入信号的变化趋势，加速系统控制作用的实现。 常利用微分环节来改善系统的动态性能。 （ 4） 惯性环节 惯性环节的微分方程为 )()()( tKrtcdt tdcT  （ 28） 式中 T为时间常数， K为比例系数。 惯性环节的传递函数为 1)( )()(  Ts KsR sCsG （ 29） 上式称为惯性环节的标准式。 当 ssR 1)(  时， sTsKtC 11)(  在单位阶跃信号作用下的相应为 )1()( TteKtc  （ 210） 图 K=1时，惯性环节的方框图。 图 惯性环节方框图 惯性环节的特点是，其输出量不能瞬时完成与输出量完全一致的变化。 （ 5） 时滞环节 9 时滞环节也称延迟环节，其数学表达式为 )(1)()(   ttrtC （ 211） 式中 τ为延迟时间。 由此，可得传递函数 ss eesR sCsG    1)( )()( （ 212） 时滞环节的方框图如图。 图 时滞环节方框图 时滞环节的特点是，其输出波形与输入波形相同，但延迟了时间。 时滞环节的存在对系统得稳定性不利。 系统的典型环节是按数学模型的共性去建立的，与系统中采用的元件不是 一一 对应的。 分析或设计系统必先建立系统或被控对象的数学模型，将其与典型环节的数学模型对比后，即可知其由什么样的典型环节组成。 典型环节的概念只适用于能够用线性定常数学模型描述的系统，而且类型环节数学模 型是在一系列理想条件限制下建立的。 西京学院本科毕业设计（论文） 10 3 MATLAB 仿真软件的应用 MATLAB 的基本介绍 MTALAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。 （ 1） MATALB 语言体系 MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结 构、输入输出、面向对象等程序语言特性。 利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 （ 2） MATLAB 工作环境 这是对 MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据 输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理 M文件的各种工具。 （ 3） 图形 图像 系统 这是 MATLAB图形系统的基础，包括完成 2D和 3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB命令，以及开发 GUI应用程序的各种工具。 （ 4） MATLAB 数学函数库 这是对 MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 （ 5） MATLAB 应用程序接口 这是 MATLAB为用户提供的一个函 数库，使得用户能够在 MATLAB环境中使用 c程序或 FORTRAN程序，包括从 MATLAB中调用于程序 (动态链接 )，读写 MAT文件的功能。 可以看出 MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。 除此之外， MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以 完成一些特定的任务。 MATLAB 的仿真 MATLAB的 SIMULINK子库是一个建模、分析各种物理和数学系统的软件。 由于西京学院本科毕业设计（论文） 11 在 WINDOWS界面下工作 ,所以对控制系统的方块图编辑、绘制很方便。 MATLAB命令窗口启动 SIMULINK程序后 ,出现的界面如下。 分别为信号源、输出、离散系统库、线性系统库、非线性系统库、系统连接及扩展系统。 下面分别介绍 : （ 1） 信号源 程序提供了八种信号源 ,分别为阶跃信号、正弦波信号、白噪声、时钟、常值信号、文件、信号发生器等可直接使用。 而信号发生器 (singal gein)可产生正弦波、方波、锯齿波、随机信号等。 （ 2） 信号输出 程序提供了三种输出方式 ,可将仿真结果通过三种方式之一如仿真窗口、文件等形式输出。 （ 3） 离散系统 程序提供了五种标准模式 ,延迟、零 极点、滤波器、传递函数、状态空间等。 并且每种标准模式都可方便地改变参数以符合被仿真系统。 （ 4） 线性系统 程序提供了七种标准模式 ,加法器、比例、积分器、微分、传递函数、零 极点、状态空间等。 同离散系统一样 ,每种标准模式都可方便地改变参数以符合被仿真系统。 （ 5）非线性系统 非线性系统库提供了十三种常用标准模式 ,如绝对值、乘法、函数、 回环特性、死区特性、斜率、继电器特性、饱和特性、开关特性等。 （ 6）系统连接 系统连接库提供了四种模式 ,输入、输出、多路转换等。 （ 7）系统扩展 考虑到各种复杂系统的要求 ,另外提供了十二种类型的扩展系统库 ,每一种又有不同的选择模式。 控制系统的动态仿真 由于 SIMULINK提供了丰富的数学模型 ,且兼容于 WINDOWS,所以用 WINDOWS提供的简单命令即形成各种复杂的系统模型。 下面分别介绍。 （ 1） 连续系统 西京学院本科毕业设计（论文） 12 某一位置随动系统的方块 如图 图 位置随动系统框图 SIMULINK仿真模型图如图 图 位置随动系统仿真模型图 输入仿真时间、仿真步长 ,选择数值计算方法即得到系统的阶跃响应。 图 K＝ 4 系统阶跃响应 如果系统的动态响应特性不好 ,可以调出扩展库中的各种调节器 ,以改善系统的动态响应。 比如引入典型的 PID调节器。 （ 2） 非线性系统 某一带有死区的随动系统如 图。 死区范围 177。 ,从系统的阶跃响应可以看出 ,由于系统的非线性 ,使得原来无差系统变为有差系统 ,同样可以引入各种调节器来校正系统 ,改善系统的动态响应。 图 非线性系统方框图 其系统的阶跃响应曲线如图 所示 西京学院本科毕业设计（论文） 13 图 非线性系统阶跃响应 （ 3） 离散系统 从离散系统库调出离散模型 ,得到系统的方框图和系统的阶跃响应如图。 图 离散系统图 其系统的阶跃响应曲线如图 所示 图 离散系统阶跃响应 西京学院本科毕业设计（论文） 14 4 自动控制系统仿真 直线一级倒立摆系统的建模及仿真 GIP 系列倒立摆系统是固高科技有限公司为全方位满足各类电机拖动和自动控制课程的教学需要而研制、开发的实验教学平台。 GIP 系列的主导产品由直线运动型、旋转运动型和平面运动型三个子系列 组成。 直线运动倒立摆的基本模块为直线运动控制模块，该模块由交流 /直流伺服电机驱动滑动小车沿直线轴承滑动，完成定位控制和速度跟踪的任务。 在滑动小车上加装一个单摆系统，构成经典的控制教学产品：单节倒立摆系统，可完成各类控制课程的教学实验，让学生具有一个可供实验验证的平台。 该系统可用测试、研究和开发各类新的控制算法。 系统组成 倒立摆系统包含倒立摆本体、电控箱及由运动控制卡和普通 PC机组成的控制平台等三大部分。 小车由电机通过同步带驱动在滑杆上来回运动，保持摆杆平衡。 电机编码器和角编码器向运动卡反馈小 车和摆杆位置（线位移和角位移），如图。 模型的建立 系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。 实验建模就是通过在研究对象上图 一级倒立摆的 模型 示意图 Fy小车MFxOθ摆杆 (2L,m)u n(t)x驱动电机角度传感器位置传感器导轨G ( xG ,yG)西京学院本科毕业设计（论文） 15 加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。 这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。 机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入－状态关系。 对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实 验建模存在一定的困难。 但是经过小心的假设忽略掉一些次要的因素后，倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。 下面我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型。 在忽略了空气阻力。