【文章內容簡介】 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改進算法，并進行優(yōu)化設計。 控制系統(tǒng)仿真經歷了物理模型仿真，模擬計算機仿真和數(shù)字計算機仿真三個過程。物理模型仿真是以物理過程相似、幾何尺寸相似及環(huán)境條件相似為基礎的仿真。數(shù)學仿真是以綜合參數(shù)比例相似及信息規(guī)律傳遞相似為基礎的仿真。物理仿真的優(yōu)點是能最大限度地反映系統(tǒng)的物理本質，具有直觀性及形 象化的特點，它能將模型中發(fā)生的綜合過程在模型中全面反映出來。但它的缺點是為建造物理模型所需的費用高、周期長、技術復雜等。而數(shù)學仿真不僅經濟、方便、而且通用性強，在一定程度上滿足了小系統(tǒng)或簡單系統(tǒng)的仿真。但是對于復雜的系統(tǒng)，數(shù)字仿真的局限性就明顯表現(xiàn)出來，首先它建立的數(shù)學模型描述能力有局限性，它不能或難以描述復雜系統(tǒng)的某些問題或現(xiàn)象：它所使用的仿真方法主要是近似的數(shù)值解法，缺少知識推理、邏輯判斷和學習訓練等智能特性。因此，把仿真技術和人工智能技術相結合發(fā)展智能仿真技術，成為仿真技術發(fā)展的一個新的焦點。 當前仿 真研究的前沿課題主要有：仿真與人工智能技術的結合，分布式仿真與仿真模型的并行處理，圖形與動畫仿真，建模環(huán)境與仿真支持系統(tǒng)等。 計算機控制系統(tǒng) 雖然控制規(guī)律靈活多樣，改動方便；控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn) 最優(yōu)控制 ；能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高；控制與管理一體化，進一步提高自動化程度。但是由于 經典控制理論 主要研究的對象是單變量常系數(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 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 和 最優(yōu)估計 、 自適應控制 等分析和設計方法。而系統(tǒng)分析的數(shù)學模型主要用狀態(tài)空間描述。隨著要研究的對象和系統(tǒng)越來越復雜，依賴于數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制理論難以解決 復雜系統(tǒng) 的控制問題： 北京理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（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 包括控制對象和干擾模型 。傳統(tǒng)控制通常認為 模型 是已知的或經過辨識可以得到的，對于不確定性的模型 ，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，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性控制方法可供使用，但總的來說，到 2020 年為止 ,非線性控制理論 還很不成熟，有些方法又過于復雜，無法廣泛應用。 (三 )復雜的任務要求在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制任務往往要求輸出量為定值或者要求輸出量跟隨期望的 運動軌跡，因此控制任務比較單一。但過于復雜的控制任務是傳統(tǒng)的控制理論無能為力。 本文的主要內容和結構安排 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、最小拍無紋波、大林算法等仿真設計。 全文共分四章，具體安排如下： 第一章是緒論，闡述了基于 MATLAB 的計算機控制系統(tǒng)仿真平臺設計的 背景和意義，對計算機和 MATLAB 的發(fā)展及現(xiàn)狀作了簡要的回顧和劃分。對仿真平臺做了簡單的分析，并由此指出了本次研究的主要內容。 第二章對 MATLAB 軟件進行 了介紹。 MATLAB 領域中高效便捷的運算和簡易直觀的特點，以及優(yōu)秀而強大的仿真功能，使得它成為自動化領域中最為常用的工具。 第三章為基于 MATLAB 的計算機控制系統(tǒng)仿真平臺的設計，對 MATLAB 進行了仿真和比較。 第四章是對本課題的總結與展望，分析該設計的不足并提出改進措施。 北京理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真 MATLAB 簡介 MATLAB 是 MATrix 和 LABoratory 兩詞的前三個字母組合而成，簡稱為矩陣實驗室，被譽為 “巨人肩上的工具 ”，它是一種以矩陣運算為 基礎的交互式程序語言。它作為一種編程語言和可視化工具，可解決工程、科學計算和數(shù)學學科中許多問題。它建立在向量、數(shù)組和矩陣的基礎上，使用方便，人機界面直觀，輸出結果可視化，矩陣是 MATLAB 的核心。 MATLAB 的應用非常廣泛，在很多領域都有著重要的地位，在大學高等數(shù)學教學上可以作為輔助工具來進行教學。概括的講，整個 MATLAB 系統(tǒng)由兩部分組成，即 MAI39。LAB 內核及輔助工具箱，兩者的調用構成了 MATLAB 的強大功能。其語言以數(shù)組為基本數(shù)據(jù)單位，包括控制流語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出及面向對象等特點的高級語言 。 MATLAB 是國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，有人稱它為 “第四代 ”計算機語言，它在國內外高校和研究部門正扮演著重要的角色。 MATLAB 是數(shù)值計算的先鋒，它以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單位，在應用線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、動態(tài)系統(tǒng)仿真方面已經成為首選工具，同時也是科研工作人員和大學生、研究生進行科學研究的得力工具。本文簡要提及了 MATLAB的發(fā)展史以及其基本知識，對 MATLAB 的矩陣計算、數(shù)值計算尤其是圖形處理做了詳細闡述 , 包含了大量操作實例。在工程技術數(shù)值運算領域中， MATLAB軟件是一套高效強大的系統(tǒng)仿真軟件，它普遍應用于現(xiàn)代的汽車制造、半導體制造、航空航天、電子通訊、醫(yī)學研究等范疇，被稱之為 “巨人肩膀上的工具 ”。MATLAB 系統(tǒng)由五個重要部分組成： MATLAB 的語言體系、 MATLAB 的工作環(huán)境、圖形系統(tǒng)、 MATLAB 的數(shù)學函數(shù)庫、 MATLAB 的應用程序接口（ API）。MATLAB 軟件提供了一個可以集成化的開發(fā)環(huán)境，用戶可以利用這個集成環(huán)境方便地進行設計仿真模型，執(zhí)行仿真過程，并分析仿真結果。它具有以下幾個特點： MATLAB 軟件編程效率高，易于使用： MATLAB 語言被 稱作 “演算紙式 ”的科學計算語言，它將編輯、編譯、連接和執(zhí)行結合在一起。能夠靈活地排除在程序流程中的編寫錯誤、語法錯誤以及語義錯誤，從而使得用戶編寫、改正和調試程序的速度得以加快。 ，語句簡便，內涵非常豐富：在 MATLAB 中的用戶文件可用做庫函數(shù)來調用，用戶可根據(jù)自身開發(fā)的需要方便地簡歷和擴充新的庫函數(shù)，以提高其使用效率和擴充它的功能。并且同一個函數(shù)名 fun，不同數(shù)目的輸入變量北京理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 6 （包括無輸入變量）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 的庫函數(shù)功能更 豐富，同時大大降低了磁盤空間的需要，使得其編寫的 M 文件簡單短小，快速高效。 、方便的繪圖功能等：在 MATLAB 中，運算符大部分無需改變，可以照搬到數(shù)組間的運算，它不需要定義數(shù)組位數(shù)，并且包含有關于矩陣函數(shù)、特殊矩陣等專門的庫函數(shù)，使之在求解信號處理、建模和系統(tǒng)識別、控制等問題時更為簡捷、高效。它還具備一系列的繪圖函數(shù)，比如對數(shù)坐標、線性坐標、極坐標和半對數(shù)坐標等，均只要調用不同的繪圖函數(shù)。還有在圖中標出斜軸標注、圖題、格（柵）繪制等也只需要調用相對應的命令即可，簡單易行。 其他特點： (1)運算符和庫函數(shù)極其豐富，語言簡潔，編程效率高。 (2)既具有結構化的控制語句，如 for 循環(huán)、 while 循環(huán)、 break 語句、 if 語句和 switch 語句 。又有面向對象的編程特性。 (3)圖形功能強大。具有豐富的繪圖命令，可以繪制二維、三維圖形，以及 對圖形進行處理和修飾。 (4)獨具特色的應用工具箱。主要為 :功能性工具箱和學科性工具箱。 (5)擴展性強。用戶可自由地開發(fā)自己的應用程序。 MATLAB 主要功能包括 : (1)數(shù)據(jù)分析、可視化 (2)數(shù)值和符號計算 (3)工程與科學繪圖 (4)控制系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)的設計與仿真 (5)數(shù)字圖像處理和信號處理技術 MATLAB 工作環(huán)境 在桌面上雙擊 MATLAB 圖標即可啟動 MATLAB 系統(tǒng)。在屏幕上默認打開的 MATLAB 窗口，主要包括 : (1)命令窗 (Command Window)程序的運行都需在此窗口中發(fā)生， “》 ” 為運算提示符，表示 MATLAB 處于準備狀態(tài)，當在 “》 ”后輸入一段運算程序，然后按 enter 健，命令窗口就會直接顯示運算結果。 (2)工作空間游覽器 (Workspace)工作空間窗口是 MATLAB 一個變量管理中心，可以顯示變量的名稱、數(shù)學結構、該變量的字節(jié)數(shù)及其類型，同時用不同的圖標表示矩陣、元胞數(shù)組、字符數(shù)組、構架數(shù)組等變量類型。 北京理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 7 (3)歷史命令窗口 (Command History)你已執(zhí)行過的每條命令會在此窗口中顯示，并注明了執(zhí)行時間，方便你的查詢。 (4)當前路徑窗口 (Current Directory)當前路徑窗口顯示著當前用戶工作所在的路徑。在此窗口用戶可以查看、重命名、或刪除當前路徑文件或文件夾，也可以 更改文件默認保存路徑，還可以對文件進行打開、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 的所有內容選擇 MATLAB 主窗口中 Help 下拉菜單中的前四項命令中的任何一項， 幾乎均可進入幫助窗口。 變量和字符串 在 MATLAB 中有一些變量被預定了某個特定的值 ,我們把它們稱為常量。這些常量主要有 : Pi:圓周率 ans:用作結果的默認變量名 eps:浮點數(shù)相對誤差 inf:無窮大 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 語言中 ,變量的命名有如下規(guī)則 (1)變量名必須以字母開頭 ,后面可以為其他字符 。 (2)變量名區(qū)分大小寫 。 (3)變量名長度不超過 31 位 ,超過 31 位的字符系統(tǒng)將忽略不計。 需要注意的是 ,用戶如果在對某個變量賦值時 ,該變量已經存在 ,系統(tǒng)則會自動使用新值代替舊值。 MATLAB 當中的字符串是由 單 引號括起來的簡單文本 。在字符串中的每個字符是數(shù)組里的一個元素 ,因為字符串是數(shù)值數(shù)組 ,所以可以使用一些函數(shù)來實現(xiàn)字符串和數(shù)值之間的相互轉換。見表 21 所示。 表 21 字符串和數(shù)值轉換函數(shù) 函數(shù) 功能 函數(shù) 功能 北京理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 8 eval 求字符串的值 num2str 數(shù)值轉換成字符串 feval 求由字符串給定的函數(shù)值 Setstr 將 ASCII 碼轉換成字符串 blanks (n) 創(chuàng)建有 n 個字符串的空格 str2num 將字符串轉換成數(shù)值 deblank 去掉字符串的尾部空格 lower 將字符串的字母轉換成小寫 int2str 將整數(shù)轉換成字符串 upper 將字符串的字母轉換成大寫 基本運算符號和常用函數(shù) 22 所示。 表 22 數(shù)值運算符號表 符號 功能 + 加法 減法 * 乘法 / 除法 \ 左除 23 所示。 表 23 常用標點符號表 標點符號 意義 。 取消運行顯示 , 區(qū)分列 （） 指定運算優(yōu)先級別 ... 續(xù)行號 “ 字符號的標示符號 % 注釋語句 向量、矩陣與數(shù)組 1. 向量的生成 在 MATLAB 中 ,生成向量最簡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 ,元素之間用空格、逗號或者分號相隔 ,用空格或逗號生成行向量 。用分號生成列向量。 2. 矩陣的生成 北京理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（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) 通過語句和函數(shù)產生矩陣 (3) 在 M 文件中建立矩陣 (4) 從外部的數(shù)據(jù)文件中導入矩陣 其中在命令窗口中直接輸入矩陣是最簡單、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中 ,每行內的元素用空格或逗號相隔 ,行與行之間的內容用分號相隔。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 開始 ,加 increment 記數(shù) ,到 b 結束的行向量(increment 省略