毕业设计(论文)控制系统计算机仿真实验设计.doc
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1、毕 业 设 计(论 文)说 明 书题 目:控制系统计算机仿真实验设计系 别:专业班级:学生姓名:指导教师:教 研 室:提交时间:摘 要通过介绍控制系统计算机仿真与计算机辅助设计的基本概念,介绍控制系统仿真的基本算法。说明了计算机仿真在自动化专业的地位和作用。为了使学生能在较短的时间内学会并应用计算机进行仿真,选择学习时间相对少点的控制系统计算机辅助设计软件MATLAB为主要工具。并设计了3个必做实验,既(Matlab的控制工具箱及应用、全结构仿真、基于Simulink的控制系统仿真);2个选做实验。通过这些实验,能达到培养学生运用计算机分析和验证自动控制原理和工程中遇到问题的能力。希望以后能把
2、学生上机操作的时间调多一点,并能在实验完成后都有一定的收获。 关键词:MATLAB,控制原理,仿真,设计,实验。ABSTRACTImitate through the introduction control system calculator to really lend support to the basic concept ofwith design with calculator, introduce a control system to imitate really basic calculate way. explained a calculator to imitate re
3、ally Be automating a professional position and the function.For make student can in the shorter academic association inside time combine an applied calculator to carry on imitate really, choice study time a little bit opposite and little control system calculator assistance design the software MATLA
4、B is main tool.Design also 3 do an experiment necessarily, since;(Matlab the control tool box and application,whole structure imitate really and according to the Simulink control system imitate really)2s choose to do an experiment.Pass these experiments, can attain development a student to make use
5、of the calculator analysis and verify an auto a control to meet the ability ofwith problem in the principle and engineering.Hope hereafter can start up the operation to the student of time adjust more, and the ability all has certain results after test completion. KEY WORDS: MATLAB, control principl
6、e, imitate really, design, test。 目录摘 要IABSTRACTII第1章 引言21.1 仿真的基本概念21.2仿真的应用与发展31.3计算机仿真在自动化专业中的地位和作用4第2章MATLAB语言基础521常量与变量52.2系统的在线帮助72.2.1 help 命令:72.2.2 lookfor命令82.3 常见的数学函数8第3章 计算机仿真的应用93.1全结构仿真93.2 Simulink仿真工具箱113.2.1 Simulink工具箱简介113.2.2 Simulink的优点11第4章 实验设计说明12第5章 结束语14致 谢15文献综述16参考文献18附录1
7、1附 录22附录311第1章 引言1.1 仿真的基本概念计算机仿真方法的成功应用,大大提高了这一方法在科学研究和技术开发中的地位,引起科学界和工业界的广泛关注与重视。人们逐步认识到,系统仿真已成为继理论分析和事物实验(或演习)之后,认识客观世界规律性的强有效的手段。它可以把复杂系统的运行过程放在实验中进行,在辅助决策、计划优化、管理调度、方案比较、规划制定、军事训练、投资风险分析、辅助设计以及谈判策略确定等方面均有巨大的应用潜力。 系统就是一些有特定功能的、相互间以一定规律联系着的物体组成的一个总体。首先,必须明确系统的整体性,也就是说,它是一个整体,它的各部分是不可分割的。正如人体一样,它由
8、头、身躯、四肢等各部分组成,如果把这些部分各自拆开,那也就不成为人了,至于人们熟悉的自动控制系统,其基本组成部分(控制对象、测量元件、控制器等)同样不可缺一。整体性是系统的第一特性。其次,要明确系统的相关性。也就是说,系统内部各部分之间相互以一定规律联系着,它们的特定关系形成了具有特定性能的系统有时系统各要素之间的关系不是简单的线性关系,而是呈现出复杂的非线性关系对于复杂的非线性关系必须研究复杂性与整体性。例如,人的双眼视敏度是单眼视敏度的610倍,此外,双眼有立体感,而单眼却无此特点,因此相关性是系统的第二特性。系统除整体性和相关性外,还具有有序性和动态性。比如,生命是一种高度有序的结构。它
9、所具有的复杂功能组织,与现代化大工业生产的“装配线”非常相似。这是一种结果上的有序性,对任何系统都是使适用的,又如,一个非平衡系统如果经过分支点A、B达到C,那么对C态的解释就必暗含着对A态和B态的了解。这便是系统的动态性。建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律,不仅能定性地了解系统,还要定量地分析、综合系统,以便能更准确地解决工程、现代社会和自然界中种种复杂问题。定量地分析、综合系统的最有效的方法是模型法。数学模型按建立方法的不同可分为机理模型、统计模型和混合模型。机理模型采用演绎方法,运用已知定律,用推理方法建立数学模型;统计模型采用归纳法,它根据大量实例或观察的数据,运用统计
10、的规律估计系统的模型;混合模型是理论上的逻辑推理和实验观察数据的统计分析相结合的模型。按所描述的系统运动性质和运用的数学工具特征可将数学模型分为:线性、非线性、时变、定常、连续、离散、集中参数、分布参数、确定、随机等系统模型。建立系统数学模型的目的是对系统进行定性分析、定量分析、优化处理,预测系统行为,并为系统提供设计、管理、控制的资料。1.1.2仿真系统仿真的基本定义是:设计一个实际系统的模型,对它进行实验,以便理解及评价系统的各运算策略,其基础是建立在系统的数学模型上,并以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。仿真,就是模仿真实事物,也就是用一个模型来模仿真实系统。既然是模仿,两者不可
11、能完全等同,但是最基本的内容应该相同,即模型至少必须反映系统的主要特征。随着现代工业的发展,科学研究的深入与计算机软、硬件的发展,仿真技术已成为分析、综合各类系统,特别是大系统的一种有效研究方法和有力的研究工具。1.2仿真的应用与发展仿真技术在发展初期多用于生物,原子物理等科学。随着计算机科学的发展,仿真技术已经广泛地应用于航天、航空系统、交通运输系统、库存系统,市场预测系统,以及人口、生态、能源规划和国民经济的各个领域中,并取得了明显的效果。与物理仿真相比,数字仿真有以下优点:(1) 数字仿真是利用计算机模型进行试验,它具有利用模型进行试验的一系列优点,如费用低、易于进行真实系统难以实现的各
12、种试验等。(2) 有些系统的模型难以用一般的数字形式表达;有的虽然能用数字形式表达,但没有解析方法可以求解;有的虽然有解析,但其数学过程过于负责、计算量过大,用计算机仿真不受这些限制,从而便于仿真技术的推广。(3) 在真实系统中要实现完全相同条件下的重复试验是很困难的,在计算机仿真试验中则很容易实现。正因为有以上一系列的优点,在计算机应用已经十分广泛的今天,系统仿真已经成为计算机应用的一个重要方面,然而计算机仿真也存在一些缺点:仿真试验多次重复行,数据量大这些特点使它占用相当多的机时和存贮空间,系统仿真的工作量也很大,消耗的人力和计算机费用是十分可观的;仿真方法得到的解是近似解而非精确解,而且
13、其精度又不容易控制。计算机仿真的主要用途:(1)计算数学模型。例如求解代数方程,微分方程,偏微分方程,非线性方程或参数方程等,特别是对需要大量运算次数的统计分析和寻优计算特别有效。(2)设计新型控制系统,综合控制方案及参数选择、实现最佳规划等。(3)实施大型企业的科学管理方案及生产、操作人员的仿真培训工作。系统仿真随着计算机技术的发展已形成一门新兴的科学。仿真用计算机经历了模拟计算机、数字计算机、混合计算机到现在已发展到全数字并行处理的仿真机。仿真软件也由计算方法、仿真程序发展到仿真语言,并逐步扩大和丰富,系统仿真的发展方兴未艾。1.3计算机仿真在自动化专业中的地位和作用计算机仿真是自动化专业
14、的一门选修课程,是利用计算机分析、研究、设计自动控制系统的有力工具,是控制领域技术人员必须掌握的一门技术,是学生具备了必要的数学、物理、计算机技术、控制原理等基础知识后的一门专业选修课。通过这门课程的学习,进一步强化学生的计算机应用能力,使其明白计算机在科学计算,工程分析,方案检验,系统仿真与辅助设计等方面起着非常重要的作用。第2章MATLAB语言基础21常量与变量系统的变量命名规则:变量名区分字母大小写;变量名必须以字母打头,其后可以是任意字母,数字,或下划线的组合。此外,系统内部预先定义了几个有特殊意义和用途的变量,见下表:表 2.2特殊的变量、常量取 值Ans用于结果的缺省变量名Pi圆周
15、率的近似值(3.1416)Eps数学中无穷小(epsilon)的近似值(2.2204e - 016)Inf无穷大,如 1/0 = inf (infinity)NaN非数,如 0/0 = NaN (Not a Number),inf / inf = NaNi,j虚数单位:i = j =2.1.1数值型向量(矩阵)的输入任何矩阵(向量),可以直接按行方式输入每个元素:同一行中的元素用逗号(,)或者用空格符来分隔;行与行之间用分号(;)分隔。所有元素处于一方括号( )内;例1: Time = 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X_Data = 2.32 3.43;4.37 5.9
16、8系统中提供了多个命令用于输入特殊的矩阵表 2.1函数功 能函数功 能compan伴随阵toeplitzToeplitz矩阵diag对角阵vanderVandermonde矩阵hadamardHadamard矩阵zeros元素全为0的矩阵hankelHankel矩阵ones元素全为1的矩阵invhilbHilbert矩阵的逆阵rand元素服从均匀分布的随机矩阵kronKronercker张量积randn元素服从正态分布的随机矩阵magic魔方矩阵eye对角线上元素为1的矩阵pascalPascal矩阵meshgrid由两个向量生成的矩阵上面函数的具体用法,可以用帮助命令help得到。如:mes
17、hgrid(x,y)输入 x=1 2 3 4; y=1 0 5; X,Y=meshgrid(x, y),则X = Y = 1 2 3 4 1 1 1 1 1 2 3 4 0 0 0 0 1 2 3 4 5 5 5 5目的是将原始数据x,y转化为矩阵数据X,Y。2.3.2 符号向量(矩阵)的输入1.用函数 sym定义符号矩阵:函数sym实际是在定义一个符号表达式,这时的符号矩阵中的元素可以是任何的符号或者是表达式,而且长度没有限制。只需将方括号置于单引号中。例2: sym_matrix = sym(a b c;Jack Help_Me NO_WAY) sym_matrix = a, b, c J
18、ack, Help_Me, NO_WAY2.用函数syms定义符号矩阵先定义矩阵中的每一个元素为一个符号变量,而后像普通矩阵一样输入符号矩阵。例3: syms a b c ; M1 = sym(Classical); M2 = sym( Jazz); M3 = sym(Blues); A = a b c; M1, M2, M3;sym(2 3 5)A = a, b, c Classical, Jazz, Blues 2, 3, 52.2系统的在线帮助2.2.1 help 命令:1.当不知系统有何帮助内容时,可直接输入help以寻求帮助: help(回车)2.当想了解某一主题的内容时,如输入:
19、help syntax(了解Matlab的语法规定)3.当想了解某一具体的函数或命令的帮助信息时,如输入: help sqrt (了解函数sqrt的相关信息)2.2.2 lookfor命令现需要完成某一具体操作,不知有何命令或函数可以完成,如输入: lookfor line (查找与直线、线性问题有关的函数)2.3 常见的数学函数表2.2 常见数学函数函 数 名数 学 计 算 功 能函 数 名数 学 计 算 功 能abs(x)实 数 的 绝 对 值或 复 数 的 幅 值floor(x)对x朝-方向取整acos(x)反 余 弦 arcsinxgcd(m,n)求正整数m和n的最大公约数acosh(
20、x)反双曲余弦arccoshximag(x)求复数x的虚部angle(x)在四象限内求复数 x 的相角lcm(m,n)求正整数m和n的最小公倍数asin(x)反正弦arcsinxlog(x)自然对数(以为底数)asinh(x)反双曲正弦arcsinhxlog10(x)常用对数(以10为底数)atan(x)反正切arctanxreal(x)求复数x的实部atan(x,y)在四象限内求反正切rem(m,n)求正整数m和n的m/n之余数atanh(x)反双曲正切arctanhxround(x)对x四舍五入到最接近的整数ceil(x)对x朝+方向取整sign(x)符号函数:求出x的符号conj(x)求
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