【正文】 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)課 題 MATLAB在自動控制原理中的應(yīng)用 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 目錄摘 要 3第1章緒論 41．1研究目的 41．2相關(guān)研究現(xiàn)狀 41．3研究方法 41．4本次設(shè)計的主要內(nèi)容以及目前學(xué)術(shù)屆近一步研究的趨勢 61. 4. 1本次設(shè)計的主要內(nèi)容 61. 4. 2目前學(xué)術(shù)界近一步研究的趨勢 6第2章開發(fā)工具 82．1 MATLAB編程語言發(fā)展歷程及特點 82．2 MATLAB系統(tǒng)構(gòu)成 92．3 MATLAB的GUI設(shè)計 102．4本章小結(jié) 11第3章控制系統(tǒng)性能指標及校正裝置分類 123．1控制系統(tǒng)的性能指標 123. 2控制系統(tǒng)校正的分類 143．3本章小結(jié) 16第4章基于頻率法的控制系統(tǒng)的校正設(shè)計 174．1基于頻率法的串聯(lián)超前校正 174．1．1 串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的算法步驟 174．1．2 超前校正裝置的評價 184．2基于頻率法的串聯(lián)滯后校正 184．2．1串聯(lián)滯后校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的算法步驟 194. 2. 2滯后校正裝置的評價 194．3基于頻率法的串聯(lián)超前滯后校正 194．3．1串聯(lián)超前滯后校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的算法步驟 204．3．2滯后超前校正裝置的評價 204. 4三種校正方法的效果對比 214．5本章小結(jié) 21第5章控制系統(tǒng)的仿真與校正對比分析 225．1程序方式 225. 1. 1控制系統(tǒng)校正前的性能指標 225. 1. 2校正裝置的設(shè)計過程及其性能指標的仿真 285. 1. 3控制系統(tǒng)校正后的性能指標 305．2Multisim電路設(shè)計仿真方式 38第6章設(shè)計總結(jié) 416. 1總結(jié) 416. 2心得 41附英文文獻： 43摘 要本論文主要研究如何根據(jù)用戶要求的性能指標進行自動控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正設(shè)計，而此設(shè)計又具有很重要的現(xiàn)實意義。對于給定的線性定常系統(tǒng)，我們通常通過加入串聯(lián)超前、滯后或超前滯后綜合校正裝置，以達到提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性的目的。本文將給出基于頻率特性法串聯(lián)校正的具體設(shè)計方法，同時對該課題中的控制系統(tǒng)模型進行仿真。本設(shè)計可實現(xiàn)如下功能：對一個線性定常系統(tǒng)，根據(jù)需求的性能指標，通過本設(shè)計可給出系統(tǒng)的串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)，從繪制出的各種響應(yīng)曲線可以直觀地將校正前后的系統(tǒng)進行比較，而仿真實例結(jié)果也進一步表明了此設(shè)計方法有效性和實用性。關(guān)鍵詞：串聯(lián)校正；根軌跡；頻率特性法；MATLABAbstractIn this paper we will discuss how to design a cascade pensator according to the users’requirements for automatic Control System，which is of a very important practical significance．For a given linear regular system，we usually contacted a cascade lead，a cascade lag or a cascade lead—lag pensator in the purpose of greater precision and stability of the system．What will be also given in this paper is the specific design methodology，which is based on the frequency characteristics method ．At the same time， we will visualize the model of the Control System in this paper．The design can achieve the following functions：Our demands for a linear regular system will be realized by inputting them through the interface．Then we can obviously see the two response curves in parison．The simulation results of the examples demonstrated the effectiveness and the relevance of the design methodology．Key Words：Cascade pensation Rootlocus Frequency characteristics MATLAB 第1章緒論1．1研究目的在實際工程控制中，往往需要設(shè)計一個系統(tǒng)并選擇適當?shù)膮?shù)以滿足性能指標的要求，或?qū)υ邢到y(tǒng)增加某些必要的元件或環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)能夠全面滿足性能指標要求，此類問題就稱為系統(tǒng)校正與綜合，或稱為系統(tǒng)設(shè)計。當被控對象給定后，按照被控對象的工作條件，被控信號應(yīng)具有的最大速度和加速度要求等，可以初步選定執(zhí)行元件的形式、特性和參數(shù)。然后，根據(jù)測量精度、抗擾能力、被測信號的物理性質(zhì)、測量過程中的慣性及非線性度等因素，選擇合適的測量變送元件。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計增益可調(diào)的前置放大器與功率放大器。這些初步選定的元件以及被控對象適當組合起來，使之滿足表征控制精度、阻尼程度和響應(yīng)速度的性能指標要求。如果通過調(diào)整放大器增益后仍然不能全面滿足設(shè)計要求的性能指標，就需要在系統(tǒng)中增加一些參數(shù)及特性可按需要改變的校正裝置，使系統(tǒng)能夠全面滿足設(shè)計要求，這就是控制系統(tǒng)設(shè)計中的校正問題。系統(tǒng)設(shè)計過程是一個反復(fù)試探的過程，需要很多經(jīng)驗的積累。MATLAB／Simulink為系統(tǒng)設(shè)計提供了有效手段。1．2相關(guān)研究現(xiàn)狀系統(tǒng)仿真作為一種特殊的實驗技術(shù)，在20世紀3090年代的半個多世紀中經(jīng)歷了飛速發(fā)展，到今天已經(jīng)發(fā)展成為一種真正的、系統(tǒng)的實驗科學(xué)。自動控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真的一個重要分支，它是一門設(shè)計自動控制理論、計算機數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)、系統(tǒng)辯識以及系統(tǒng)科學(xué)的綜合性新型學(xué)科。它為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計以及自動控制系統(tǒng)的計算機輔助教學(xué)等提供了快速、經(jīng)濟、科學(xué)及有效的手段。自動控制系統(tǒng)仿真就是以自動控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型替代實際控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對自動控制系統(tǒng)進行實驗、．分析、評估及預(yù)測研究的一種技術(shù)與方法。1．3研究方法自動控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個基本步驟：問題描述、模型建立、仿真實驗、結(jié)果分析，其流程如圖1．1所示：(1)建立數(shù)學(xué)模型問題描述目標建立模型建立程序編寫數(shù)據(jù)分析結(jié)果輸出仿真實驗檢查程序是否正確確認圖1．1計算機仿真流程圖控制系統(tǒng)模型，是指描述控制系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式?？刂葡到y(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，靜態(tài)模型描述的是自動控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動態(tài)模型描述的是自動控制系統(tǒng)變量之間的動態(tài)關(guān)系。最常用、最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程。(2)建立仿真模型由于計算機數(shù)值計算方法的限制，有些數(shù)學(xué)模型是不能直接用于數(shù)值計算的，如微分方程，因此原始的數(shù)學(xué)模型必須轉(zhuǎn)換為能夠進行系統(tǒng)仿真的仿真模型。例如，在進行連續(xù)系統(tǒng)仿真時，就需要將微分方程這樣的數(shù)學(xué)模型通過拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)的仿真模型。(3)編寫仿真程序控制系統(tǒng)的仿真涉及很多相關(guān)聯(lián)的量，這些量之間的聯(lián)系要通過編制程序來實現(xiàn)，常用的數(shù)值仿真語言有C、FORTRAN等，近年來發(fā)展迅速的綜合計算仿真軟件，如MATLAB也可以用來編寫仿真程序，而且編寫起來非常迅速、界面友好，已得到廣泛應(yīng)用。(4)進行仿真實驗并分析實驗結(jié)果在完成以上工作后，就可以進行仿真實驗了，通過對仿真結(jié)果的分析來對仿真模型與仿真程序進行校驗和修改，如此反復(fù)，直到達到滿意的實驗效果為止。1．4本次設(shè)計的主要內(nèi)容以及目前學(xué)術(shù)屆近一步研究的趨勢1. 4. 1本次設(shè)計的主要內(nèi)容 (1)本論文主要是利用MATLAB7．0對頻率法校正進行編程，生成用于進行系統(tǒng)校正的通用程序。(2)然后通過對實例的仿真說明其對自動控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正設(shè)計的通用性。(3)用戶可以隨時查看系統(tǒng)校正前后的各種圖形，從中可以直觀地看出系統(tǒng)的各種性能指標。1. 4. 2目前學(xué)術(shù)界近一步研究的趨勢隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與進步，與之緊密結(jié)合的計算機仿真技術(shù)也飛速發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下方面：(1)硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的權(quán)術(shù)子仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強數(shù)字仿真的實時性。(2)應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達到更理想的境界。(3)分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行分布式仿真，投資少，效果好。(4)虛擬現(xiàn)實技術(shù)：綜合了計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人仿佛置身于真實環(huán)境之中，這就是“仿真”。第2章開發(fā)工具2．1 MATLAB編程語言發(fā)展歷程及特點MATLAB的產(chǎn)生是與數(shù)學(xué)計算緊密聯(lián)系在一起的。1980年，美國新墨西哥州大學(xué)計算機系主任Cleve Moler在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在高級語言編程上花費很多時間，于是著手編寫供學(xué)生使用的Fortran字程序庫借口程序，他將這個接I：I程序取名為MATLAB(即Matrix Laboratory的前三個字母的組合，意為“矩陣實驗室”)。這個程序獲得了很大的成功，受到學(xué)生的廣泛歡迎。20世紀80年代初期，Moler等一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了Math Works軟件開發(fā)公司，繼續(xù)從事MATLAB的研究和開發(fā)，1984年推出了第一個MATLAB商業(yè)版本，其核心是用C語言編寫的。而后，它又添加了豐富多彩的圖形圖像處理、多媒體、符號運算以及與其他流行軟件的借口功能，使得MATLAB的功能越來越強大。Math Works公司正式推出MATLAB后，于1992年推出了具有劃時代意義的；，；，在操作界面上有了很大的改觀，同時還給出了程序發(fā)布窗口、歷史信息窗口和變量管理窗口等，為用戶提供了極大的方便；2001年6月，功能已十分強大，其虛擬現(xiàn)實工具箱更給仿真結(jié)果三維視景下顯示帶來了新的解決方案；2001年6月推出了MATLAB Releasel3，／，在核心數(shù)值算法、界面設(shè)計、外部接口、應(yīng)用桌面等多方面有了極大的改進；2004年9月正式推出MATLABReleasel4，／，其功能在原有的基礎(chǔ)上又有了進一步的改進，它是MATLAB目前最新的版本。MATLAB經(jīng)過幾十年研究與不斷完善，現(xiàn)已成為國際上最為流行的科學(xué)計算與公車功能計算機軟件工具之一，現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個最初的“矩陣實驗室”了，它已發(fā)展成為一種具有廣泛應(yīng)用前景、全新的計算機高級編程語言。自20世紀90年代，在美國和歐洲大學(xué)中，將MATLAB正式列入研究生和本科生的教學(xué)計劃，MATLAB軟件已成為應(yīng)用代數(shù)、自動控制原理、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的基本教學(xué)工具，成為學(xué)生所必須掌握的基本軟件之一。在研究單位和工業(yè)界，MATLAB也成為工程師們必須掌握的一種工具，被認作進行高效研究與開發(fā)的首選軟件工具，其特點是：(1)可擴展性：MATLAB最重要的特點是易于擴展，它允許用戶自行建立制定功能的M文件。(2)易學(xué)易用性：MATLAB不需要用戶有高深的數(shù)學(xué)知識和程序設(shè)計能力，不需要用戶深刻了解算法及編程技巧。(3)高效性：MATLAB語句功能十分強大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)。它大大加快了工程技術(shù)人員從事軟件開發(fā)的效率。2．2 MATLAB系統(tǒng)構(gòu)成MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應(yīng)用程序接口(API)五大部分構(gòu)成。(1)MATLAB開發(fā)環(huán)境MATLAB開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用MATLAB函數(shù)和文件的工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個集成化的工作空間，可以讓用戶輸入、輸出數(shù)據(jù)，并提供了M文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境。它包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間和在線幫助文檔。(2)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫包括了大量的計算算法，從基本運算(如加法、正弦等)到復(fù)雜算法，如矩陣