【文章內(nèi)容簡介】 容，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天于航空工業(yè)、電力工業(yè)、核能工業(yè)、石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)及冶金工業(yè)等眾多學(xué)科和工程技術(shù)領(lǐng)域，并且具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷、優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測的特殊功能等優(yōu)點，在非工程系統(tǒng)（如社會、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)）中，由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實驗幾乎是不可能的，這時通過仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識，因此仿真技術(shù)已經(jīng)成為對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計和綜合研究中很有效的手段。隨著控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜，任務(wù)的多樣化，對控制的要求越來越高，利用計算機(jī)進(jìn)行仿真和研究，以及進(jìn)一步實現(xiàn)計算機(jī)控制成為從事控制及相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員所必須掌握的一門技術(shù)。由于仿真理論、方法的提高，仿真實驗任務(wù)的擴(kuò)大以及相關(guān)科學(xué)的發(fā)展，展望仿真技術(shù)今后的發(fā)展趨勢，主要有以下幾個方面:對大型的分布系統(tǒng)、綜合系統(tǒng)進(jìn)行實時仿真，需要處理的信息量大、傳輸速度快、變化和處理及時迅速，基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真系統(tǒng)將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，從而使仿真系統(tǒng)的實時性得以加強(qiáng)。在應(yīng)用軟件方面，直接面向用戶的高效能數(shù)字仿真軟件將不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達(dá)到更理想的境界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善，為控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真開辟了一個新時代。虛擬現(xiàn)實將真實環(huán)境、模型化物理環(huán)境和用戶融為一體，為用戶提供視覺、聽覺、嗅覺和觸覺感官逼真的感覺信息仿真系統(tǒng)，使人感到如同身臨其境的仿真環(huán)境。、智能化的仿真環(huán)境開站系統(tǒng)仿真科學(xué)的研究，開發(fā)系統(tǒng)仿真技術(shù)，需要網(wǎng)絡(luò)化、智能化得環(huán)境。目前這方面的差距還比較大。但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善與提高，微型計算機(jī)的大量推廣和應(yīng)用，分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)將被廣泛地應(yīng)用，適合相應(yīng)環(huán)境的仿真軟件將會得到不斷地發(fā)展，以達(dá)到投資少、見效快的目的。 Matlab仿真軟件的介紹Matlab是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。Matlab是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運算和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。它幾乎可以輕易地再現(xiàn)C或FORTRAN語言的全部功能，并設(shè)計出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量程序來，而且編程效率和計算效率極高。Matlab環(huán)境下的Simulink是一個進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，在它提供的圖形用戶界面上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡單拖拽操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個仿真環(huán)境工具箱，且在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 Matlab的優(yōu)勢1. 友好的工作平臺和編程環(huán)境Matlab由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用Matlab的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括Matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著Matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，Matlab的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的Matlab提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。2. 簡單易用的程序語言Matlab是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運行。新版本的Matlab語言是基于最為流行的C＋＋語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C＋＋語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是Matlab能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。3. 強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力Matlab是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計算要求相同的情況下，使用Matlab的編程工作量會大大減少。Matlab的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復(fù)數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。4. 出色的圖形處理能力Matlab自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的Matlab對整個圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），Matlab同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，Matlab也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的Matlab還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。5. 應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱Matlab對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，Matlab已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。6. 應(yīng)用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的Matlab可以利用Matlab編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的Matlab程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于Matlab運行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和Matlab進(jìn)行交互的C或C++語言程序。另外，Matlab網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的Matlab數(shù)學(xué)和圖形程序。Matlab的一個重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是Matlab函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。7. 應(yīng)用軟件開發(fā)在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。 Simulink工具箱的介紹Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于Matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與Matlab緊密集成，可以直接訪問Matlab大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成使用Embedded Matlab模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用Matlab算法使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為可訪問Matlab從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。在簡單控制系統(tǒng)分析和設(shè)計時，通常將系統(tǒng)中控制器以外的部分組合在一起，即被控對象、執(zhí)行器和測量變送裝置合并為廣義被控對象。系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是被控變量和控制變量的選擇、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型、控制器的設(shè)計、測量變送裝置和執(zhí)行器的選擇。如果廣義被控對象傳遞函數(shù)可用一階慣性加純延遲近似，則可根據(jù)廣義被控對象的可控比/T選擇PID控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律。①當(dāng)/T＜，選擇比例或比例積分控制；②＜/T＜，選擇比例微分或比例積分微分控制；③當(dāng)/T＞，選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。為了能保證構(gòu)成工業(yè)過程中的控制系統(tǒng)是一種負(fù)反饋控制，系統(tǒng)的開環(huán)增益必須為負(fù)，而系統(tǒng)的開環(huán)增益是系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)增益的乘積?？刂破鞯恼饔梅绞绞侵笇嶋H控制器的輸出信號u隨著被控變量y的增大而增大，此時稱實際控制器的增益為正，取“+”號。反之為反作用方式，此時稱其增益為負(fù)，取“”號、過程控制系統(tǒng)中的實際PID控制器是由信號比較機(jī)構(gòu)和運算環(huán)節(jié)兩部分組成的。實際PID控制器的增益=(1)控制器運算環(huán)節(jié)的增益。系統(tǒng)整定方法很多，但可歸納為兩大類：理論計算法和工程整定法。在工程實際應(yīng)用中，常采用工程整定法，它一般有動態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法和經(jīng)驗整定法。PID控制器參數(shù)的整定，不論采用的是理論計算法還是工程整定法中的額動態(tài)特性參數(shù)法，都是以由廣義被控對象和等效控制器兩部分組成的控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。等效控制器和廣義被控對象之間如何劃分會直接影響實際控制器參數(shù)與等效控制器參數(shù)之間的關(guān)系。對于工業(yè)PID控制器，由于τ、T、Td各參數(shù)之間存在相互干擾，必須考慮控制器各參數(shù)實際值與刻度值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。PID控制器參數(shù)的自整定多年來一直是眾多工程技術(shù)人員重點研究的內(nèi)容。圖41為在Matlab的Simulink工具箱中設(shè)計的PID控制系統(tǒng)模型，其中Kc=50、Ti=100、Td=50，輸入信號的終值為60。圖41 PID控制系統(tǒng)模型 PID控制器后的鍋爐系統(tǒng)的仿真加入PID校正控制器后的Matlab系統(tǒng)仿真結(jié)果如下：圖42 加入PID控制器后的系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖42所示。由曲線可以看出PID的控制效果，其中超調(diào)量基本為0，調(diào)節(jié)時間大概為500，但是系統(tǒng)有滯后，這在工程上是不能滿足要求的。在原有的PID控制的基礎(chǔ)上，我們對系統(tǒng)加入一個干擾信號，干擾信號的平均值為輸入的30%，系統(tǒng)設(shè)計如圖43所示：圖43 PID控制系統(tǒng)加入干擾信號后的系統(tǒng)設(shè)計圖加入干擾后的系統(tǒng)仿真圖如圖44所示： 圖44 加入干擾后的PID控制系統(tǒng)仿真圖由圖44所示系統(tǒng)加入干擾后仿真結(jié)果和原來沒有加入干擾的系統(tǒng)相比并沒有多大的變化，說明系統(tǒng)的抗干擾能力是很好的。雖然PID控制器能對系統(tǒng)進(jìn)行很好的控制，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，但是對于產(chǎn)生的滯后時間問題不能很好的解決。Smith預(yù)估控制器能有效的解決系統(tǒng)產(chǎn)生的時間滯后問題。圖45為帶Smith預(yù)估控制器的鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)，其中Kc=50、Ti=100、Td=0，輸入信號的終值為60。圖45帶Smith預(yù)估控制器的系統(tǒng)圖46為加入Smith預(yù)估控制器后的鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)仿真圖圖46 加入Smith預(yù)估控制器后的系統(tǒng)仿真圖從圖46可以看出系統(tǒng)的超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時間大概為700左右。由圖46可以看到在PID控制的基礎(chǔ)上加上Smith預(yù)估控制器對具有大時滯的系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是明顯的，這時輸出和輸入是同步的，對系統(tǒng)的滯后環(huán)節(jié)起到了很好的糾正效果。在原有的Smith控制的基礎(chǔ)上，我們對系統(tǒng)加入一個干擾信號，干擾信號的平均值為輸入的30%，系統(tǒng)設(shè)計