【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制算法，而每一種算法在建立前是不成熟的．這就需要采取仿真技術(shù)改進(jìn)算法，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 控制系統(tǒng)仿真經(jīng)歷了物理模型仿真，模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)過(guò)程。物理模型仿真是以物理過(guò)程相似、幾何尺寸相似及環(huán)境條件相似為基礎(chǔ)的仿真。數(shù)學(xué)仿真是以綜合參數(shù)比例相似及信息規(guī)律傳遞相似為基礎(chǔ)的仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是能最大限度地反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)，具有直觀性及形 象化的特點(diǎn)，它能將模型中發(fā)生的綜合過(guò)程在模型中全面反映出來(lái)。但它的缺點(diǎn)是為建造物理模型所需的費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜等。而數(shù)學(xué)仿真不僅經(jīng)濟(jì)、方便、而且通用性強(qiáng)，在一定程度上滿足了小系統(tǒng)或簡(jiǎn)單系統(tǒng)的仿真。但是對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，數(shù)字仿真的局限性就明顯表現(xiàn)出來(lái)，首先它建立的數(shù)學(xué)模型描述能力有局限性，它不能或難以描述復(fù)雜系統(tǒng)的某些問(wèn)題或現(xiàn)象：它所使用的仿真方法主要是近似的數(shù)值解法，缺少知識(shí)推理、邏輯判斷和學(xué)習(xí)訓(xùn)練等智能特性。因此，把仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合發(fā)展智能仿真技術(shù)，成為仿真技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的焦點(diǎn)。 當(dāng)前仿 真研究的前沿課題主要有：仿真與人工智能技術(shù)的結(jié)合，分布式仿真與仿真模型的并行處理，圖形與動(dòng)畫(huà)仿真，建模環(huán)境與仿真支持系統(tǒng)等。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 雖然控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便；控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn) 最優(yōu)控制 ；能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高；控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度。但是由于 經(jīng)典控制理論 主要研究的對(duì)象是單變量常系數(shù) 線性系統(tǒng) ，它只適用 于單 輸入單輸出控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型 采用 傳遞函數(shù) 表示，系統(tǒng)的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法。 現(xiàn)代控制理論 主要采用最優(yōu)控制、 系統(tǒng)辨識(shí) 和 最優(yōu)估計(jì) 、 自適應(yīng)控制 等分析和設(shè)計(jì)方法。而系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型主要用狀態(tài)空間描述。隨著要研究的對(duì)象和系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，依賴于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論難以解決 復(fù)雜系統(tǒng) 的控制問(wèn)題： 北京理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 (一 )不確定性的 模型 傳統(tǒng)控制是基于 模型 的控制， 模型 包括控制對(duì)象和干擾模型 。傳統(tǒng)控制通常認(rèn)為 模型 是已知的或經(jīng)過(guò)辨識(shí)可以得到的，對(duì)于不確定性的模型 ，傳統(tǒng)控制難以滿足要求。 (二 )高度非線性在傳統(tǒng)的控制理論中，對(duì)于具有高度非線性的控制對(duì)象，雖然也有一些非線性控制方法可供使用，但總的來(lái)說(shuō)，到 2020 年為止 ,非線性控制理論 還很不成熟，有些方法又過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法廣泛應(yīng)用。 (三 )復(fù)雜的任務(wù)要求在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制任務(wù)往往要求輸出量為定值或者要求輸出量跟隨期望的 運(yùn)動(dòng)軌跡，因此控制任務(wù)比較單一。但過(guò)于復(fù)雜的控制任務(wù)是傳統(tǒng)的控制理論無(wú)能為力。 本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文采用模型建立→算法選擇→系統(tǒng)仿真的三段式步奏，完成最小拍有紋波、最小拍無(wú)紋波、大林算法等仿真設(shè)計(jì)。 全文共分四章，具體安排如下： 第一章是緒論，闡述了基于 MATLAB 的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的 背景和意義，對(duì)計(jì)算機(jī)和 MATLAB 的發(fā)展及現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)要的回顧和劃分。對(duì)仿真平臺(tái)做了簡(jiǎn)單的分析，并由此指出了本次研究的主要內(nèi)容。 第二章對(duì) MATLAB 軟件進(jìn)行 了介紹。 MATLAB 領(lǐng)域中高效便捷的運(yùn)算和簡(jiǎn)易直觀的特點(diǎn)，以及優(yōu)秀而強(qiáng)大的仿真功能，使得它成為自動(dòng)化領(lǐng)域中最為常用的工具。 第三章為基于 MATLAB 的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì) MATLAB 進(jìn)行了仿真和比較。 第四章是對(duì)本課題的總結(jié)與展望，分析該設(shè)計(jì)的不足并提出改進(jìn)措施。 北京理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 是 MATrix 和 LABoratory 兩詞的前三個(gè)字母組合而成，簡(jiǎn)稱為矩陣實(shí)驗(yàn)室，被譽(yù)為 “巨人肩上的工具 ”，它是一種以矩陣運(yùn)算為 基礎(chǔ)的交互式程序語(yǔ)言。它作為一種編程語(yǔ)言和可視化工具，可解決工程、科學(xué)計(jì)算和數(shù)學(xué)學(xué)科中許多問(wèn)題。它建立在向量、數(shù)組和矩陣的基礎(chǔ)上，使用方便，人機(jī)界面直觀，輸出結(jié)果可視化，矩陣是 MATLAB 的核心。 MATLAB 的應(yīng)用非常廣泛，在很多領(lǐng)域都有著重要的地位，在大學(xué)高等數(shù)學(xué)教學(xué)上可以作為輔助工具來(lái)進(jìn)行教學(xué)。概括的講，整個(gè) MATLAB 系統(tǒng)由兩部分組成，即 MAI39。LAB 內(nèi)核及輔助工具箱，兩者的調(diào)用構(gòu)成了 MATLAB 的強(qiáng)大功能。其語(yǔ)言以數(shù)組為基本數(shù)據(jù)單位，包括控制流語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)的高級(jí)語(yǔ)言 。 MATLAB 是國(guó)際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，有人稱它為 “第四代 ”計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它在國(guó)內(nèi)外高校和研究部門(mén)正扮演著重要的角色。 MATLAB 是數(shù)值計(jì)算的先鋒，它以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單位，在應(yīng)用線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真方面已經(jīng)成為首選工具，同時(shí)也是科研工作人員和大學(xué)生、研究生進(jìn)行科學(xué)研究的得力工具。本文簡(jiǎn)要提及了 MATLAB的發(fā)展史以及其基本知識(shí)，對(duì) MATLAB 的矩陣計(jì)算、數(shù)值計(jì)算尤其是圖形處理做了詳細(xì)闡述 , 包含了大量操作實(shí)例。在工程技術(shù)數(shù)值運(yùn)算領(lǐng)域中， MATLAB軟件是一套高效強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件，它普遍應(yīng)用于現(xiàn)代的汽車(chē)制造、半導(dǎo)體制造、航空航天、電子通訊、醫(yī)學(xué)研究等范疇，被稱之為 “巨人肩膀上的工具 ”。MATLAB 系統(tǒng)由五個(gè)重要部分組成： MATLAB 的語(yǔ)言體系、 MATLAB 的工作環(huán)境、圖形系統(tǒng)、 MATLAB 的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、 MATLAB 的應(yīng)用程序接口（ API）。MATLAB 軟件提供了一個(gè)可以集成化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以利用這個(gè)集成環(huán)境方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真模型，執(zhí)行仿真過(guò)程，并分析仿真結(jié)果。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： MATLAB 軟件編程效率高，易于使用： MATLAB 語(yǔ)言被 稱作 “演算紙式 ”的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言，它將編輯、編譯、連接和執(zhí)行結(jié)合在一起。能夠靈活地排除在程序流程中的編寫(xiě)錯(cuò)誤、語(yǔ)法錯(cuò)誤以及語(yǔ)義錯(cuò)誤，從而使得用戶編寫(xiě)、改正和調(diào)試程序的速度得以加快。 ，語(yǔ)句簡(jiǎn)便，內(nèi)涵非常豐富：在 MATLAB 中的用戶文件可用做庫(kù)函數(shù)來(lái)調(diào)用，用戶可根據(jù)自身開(kāi)發(fā)的需要方便地簡(jiǎn)歷和擴(kuò)充新的庫(kù)函數(shù)，以提高其使用效率和擴(kuò)充它的功能。并且同一個(gè)函數(shù)名 fun，不同數(shù)目的輸入變量北京理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 （包括無(wú)輸入變量）及不同數(shù)目的輸出變量分別代表著不同的含義 [5]，這不僅使得 MATLAB 的庫(kù)函數(shù)功能更 豐富，同時(shí)大大降低了磁盤(pán)空間的需要，使得其編寫(xiě)的 M 文件簡(jiǎn)單短小，快速高效。 、方便的繪圖功能等：在 MATLAB 中，運(yùn)算符大部分無(wú)需改變，可以照搬到數(shù)組間的運(yùn)算，它不需要定義數(shù)組位數(shù)，并且包含有關(guān)于矩陣函數(shù)、特殊矩陣等專門(mén)的庫(kù)函數(shù)，使之在求解信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)識(shí)別、控制等問(wèn)題時(shí)更為簡(jiǎn)捷、高效。它還具備一系列的繪圖函數(shù)，比如對(duì)數(shù)坐標(biāo)、線性坐標(biāo)、極坐標(biāo)和半對(duì)數(shù)坐標(biāo)等，均只要調(diào)用不同的繪圖函數(shù)。還有在圖中標(biāo)出斜軸標(biāo)注、圖題、格（柵）繪制等也只需要調(diào)用相對(duì)應(yīng)的命令即可，簡(jiǎn)單易行。 其他特點(diǎn)： (1)運(yùn)算符和庫(kù)函數(shù)極其豐富，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，編程效率高。 (2)既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，如 for 循環(huán)、 while 循環(huán)、 break 語(yǔ)句、 if 語(yǔ)句和 switch 語(yǔ)句 。又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦浴? (3)圖形功能強(qiáng)大。具有豐富的繪圖命令，可以繪制二維、三維圖形，以及 對(duì)圖形進(jìn)行處理和修飾。 (4)獨(dú)具特色的應(yīng)用工具箱。主要為 :功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。 (5)擴(kuò)展性強(qiáng)。用戶可自由地開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序。 MATLAB 主要功能包括 : (1)數(shù)據(jù)分析、可視化 (2)數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 (3)工程與科學(xué)繪圖 (4)控制系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 (5)數(shù)字圖像處理和信號(hào)處理技術(shù) MATLAB 工作環(huán)境 在桌面上雙擊 MATLAB 圖標(biāo)即可啟動(dòng) MATLAB 系統(tǒng)。在屏幕上默認(rèn)打開(kāi)的 MATLAB 窗口，主要包括 : (1)命令窗 (Command Window)程序的運(yùn)行都需在此窗口中發(fā)生， “》 ” 為運(yùn)算提示符，表示 MATLAB 處于準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)在 “》 ”后輸入一段運(yùn)算程序，然后按 enter 健，命令窗口就會(huì)直接顯示運(yùn)算結(jié)果。 (2)工作空間游覽器 (Workspace)工作空間窗口是 MATLAB 一個(gè)變量管理中心，可以顯示變量的名稱、數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)、該變量的字節(jié)數(shù)及其類型，同時(shí)用不同的圖標(biāo)表示矩陣、元胞數(shù)組、字符數(shù)組、構(gòu)架數(shù)組等變量類型。 北京理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 (3)歷史命令窗口 (Command History)你已執(zhí)行過(guò)的每條命令會(huì)在此窗口中顯示，并注明了執(zhí)行時(shí)間，方便你的查詢。 (4)當(dāng)前路徑窗口 (Current Directory)當(dāng)前路徑窗口顯示著當(dāng)前用戶工作所在的路徑。在此窗口用戶可以查看、重命名、或刪除當(dāng)前路徑文件或文件夾，也可以 更改文件默認(rèn)保存路徑，還可以對(duì)文件進(jìn)行打開(kāi)、執(zhí)行等一系列操作。 (5))幫助游覽器 (Help Browser ) 的幫助窗口非常全面，該軟件 的所有內(nèi)容選擇 MATLAB 主窗口中 Help 下拉菜單中的前四項(xiàng)命令中的任何一項(xiàng)， 幾乎均可進(jìn)入幫助窗口。 變量和字符串 在 MATLAB 中有一些變量被預(yù)定了某個(gè)特定的值 ,我們把它們稱為常量。這些常量主要有 : Pi:圓周率 ans:用作結(jié)果的默認(rèn)變量名 eps:浮點(diǎn)數(shù)相對(duì)誤差 inf:無(wú)窮大 i 和 j:虛數(shù)單位 NaN 或 nan:不定數(shù) 變量是 MATLAB 的基本元素之一 ,在 MATLAB 語(yǔ)言中 ,變量的命名有如下規(guī)則 (1)變量名必須以字母開(kāi)頭 ,后面可以為其他字符 。 (2)變量名區(qū)分大小寫(xiě) 。 (3)變量名長(zhǎng)度不超過(guò) 31 位 ,超過(guò) 31 位的字符系統(tǒng)將忽略不計(jì)。 需要注意的是 ,用戶如果在對(duì)某個(gè)變量賦值時(shí) ,該變量已經(jīng)存在 ,系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)使用新值代替舊值。 MATLAB 當(dāng)中的字符串是由 單 引號(hào)括起來(lái)的簡(jiǎn)單文本 。在字符串中的每個(gè)字符是數(shù)組里的一個(gè)元素 ,因?yàn)樽址菙?shù)值數(shù)組 ,所以可以使用一些函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)字符串和數(shù)值之間的相互轉(zhuǎn)換。見(jiàn)表 21 所示。 表 21 字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù) 函數(shù) 功能 函數(shù) 功能 北京理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 eval 求字符串的值 num2str 數(shù)值轉(zhuǎn)換成字符串 feval 求由字符串給定的函數(shù)值 Setstr 將 ASCII 碼轉(zhuǎn)換成字符串 blanks (n) 創(chuàng)建有 n 個(gè)字符串的空格 str2num 將字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)值 deblank 去掉字符串的尾部空格 lower 將字符串的字母轉(zhuǎn)換成小寫(xiě) int2str 將整數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串 upper 將字符串的字母轉(zhuǎn)換成大寫(xiě) 基本運(yùn)算符號(hào)和常用函數(shù) 22 所示。 表 22 數(shù)值運(yùn)算符號(hào)表 符號(hào) 功能 + 加法 減法 * 乘法 / 除法 \ 左除 23 所示。 表 23 常用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)表 標(biāo)點(diǎn)符號(hào) 意義 。 取消運(yùn)行顯示 , 區(qū)分列 （） 指定運(yùn)算優(yōu)先級(jí)別 ... 續(xù)行號(hào) “ 字符號(hào)的標(biāo)示符號(hào) % 注釋語(yǔ)句 向量、矩陣與數(shù)組 1. 向量的生成 在 MATLAB 中 ,生成向量最簡(jiǎn)單的方法就是在命令窗口中按一定格式直接輸入。輸入的格式要求是 ,向量元素用 “[]”括起來(lái) ,元素之間用空格、逗號(hào)或者分號(hào)相隔 ,用空格或逗號(hào)生成行向量 。用分號(hào)生成列向量。 2. 矩陣的生成 北京理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 矩陣的生成有多種方式 ,通常使用的有四種方法 : (1) 在命令窗口中直接輸入矩陣 (2) 通過(guò)語(yǔ)句和函數(shù)產(chǎn)生矩陣 (3) 在 M 文件中建立矩陣 (4) 從外部的數(shù)據(jù)文件中導(dǎo)入矩陣 其中在命令窗口中直接輸入矩陣是最簡(jiǎn)單、最常 用的創(chuàng)建數(shù)值矩陣的方法。把矩陣的元素直接排列到方括號(hào)中 ,每行內(nèi)的元素用空格或逗號(hào)相隔 ,行與行之間的內(nèi)容用分號(hào)相隔。特殊矩陣生成函數(shù)如表 24 所示。 表 24 特殊矩陣生成函數(shù) 函數(shù) 功能 eye(m,n) 生成單位矩陣 zeros(m,n) 生成零矩陣 ones(m,n) 生成全 1 的矩陣 rand(m,n) 生成隨機(jī)元素的矩陣 3. 數(shù)組的創(chuàng)建 (1)一維和二維數(shù)組直接元素輸入 X=[l 2 3 4 5 6]生成 1x6 行向量 。x=[l 2 3。4 5 6]生成 2x3 二維數(shù) 組 。 (2)x=a:increment:b 創(chuàng)建從 a 開(kāi)始 ,加 increment 記數(shù) ,到 b 結(jié)束的行向量(increment 省略