【正文】 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(shí)際工程控制中，往往需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)并選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)以滿(mǎn)足性能指標(biāo)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(mǎn)足性能指標(biāo)要求，此類(lèi)問(wèn)題就稱(chēng)為系統(tǒng)校正與綜合，或稱(chēng)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文將給出基于頻率特性法串聯(lián)校正的具體設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)該課題中的控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。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(jì)的主要內(nèi)容以及目前學(xué)術(shù)屆近一步研究的趨勢(shì) 61. 4. 1本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 61. 4. 2目前學(xué)術(shù)界近一步研究的趨勢(shì) 6第2章開(kāi)發(fā)工具 82．1 MATLAB編程語(yǔ)言發(fā)展歷程及特點(diǎn) 82．2 MATLAB系統(tǒng)構(gòu)成 92．3 MATLAB的GUI設(shè)計(jì) 102．4本章小結(jié) 11第3章控制系統(tǒng)性能指標(biāo)及校正裝置分類(lèi) 123．1控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 123. 2控制系統(tǒng)校正的分類(lèi) 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(jì) 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(jì)的算法步驟 174．1．2 超前校正裝置的評(píng)價(jià) 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(jì)的算法步驟 194. 2. 2滯后校正裝置的評(píng)價(jià) 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(jì)的算法步驟 204．3．2滯后超前校正裝置的評(píng)價(jià) 204. 4三種校正方法的效果對(duì)比 214．5本章小結(jié) 21第5章控制系統(tǒng)的仿真與校正對(duì)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(biāo) 225. 1. 2校正裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程及其性能指標(biāo)的仿真 285. 1. 3控制系統(tǒng)校正后的性能指標(biāo) 305．2Multisim電路設(shè)計(jì)仿真方式 38第6章設(shè)計(jì)總結(jié) 416. 1總結(jié) 416. 2心得 41附英文文獻(xiàn)： 43摘 要本論文主要研究如何根據(jù)用戶(hù)要求的性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，而此設(shè)計(jì)又具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)課 題 MATLAB在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)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(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)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(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（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?、縮印、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)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。對(duì)于給定的線(xiàn)性定常系統(tǒng)，我們通常通過(guò)加入串聯(lián)超前、滯后或超前滯后綜合校正裝置，以達(dá)到提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性的目的。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)如下功能：對(duì)一個(gè)線(xiàn)性定常系統(tǒng)，根據(jù)需求的性能指標(biāo)，通過(guò)本設(shè)計(jì)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(xiàn)可以直觀(guān)地將校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行比較，而仿真實(shí)例結(jié)果也進(jìn)一步表明了此設(shè)計(jì)方法有效性和實(shí)用性。當(dāng)被控對(duì)象給定后，按照被控對(duì)象的工作條件，被控信號(hào)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)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增益可調(diào)的前置放大器與功率放大器。如果通過(guò)調(diào)整放大器增益后仍然不能全面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)，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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這就是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的校正問(wèn)題。MATLAB／Simulink為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有效手段。自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支，它是一門(mén)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)辯識(shí)以及系統(tǒng)科學(xué)的綜合性新型學(xué)科。自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真就是以自動(dòng)控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型替代實(shí)際控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、．分析、評(píng)估及預(yù)測(cè)研究的一種技術(shù)與方法?？刂葡到y(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，靜態(tài)模型描述的是自動(dòng)控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動(dòng)態(tài)模型描述的是自動(dòng)控制系統(tǒng)變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。(2)建立仿真模型由于計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)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(jì)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(jìn)行系統(tǒng)仿真的仿真模型。(3)編寫(xiě)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(guò)編制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的數(shù)值仿真語(yǔ)言有C、FORTRAN等，近年來(lái)發(fā)展迅速的綜合計(jì)算仿真軟件，如MATLAB也可以用來(lái)編寫(xiě)仿真程序，而且編寫(xiě)起來(lái)非常迅速、界面友好，已得到廣泛應(yīng)用。1．4本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以及目前學(xué)術(shù)屆近一步研究的趨勢(shì)1. 4. 1本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 (1)本論文主要是利用MATLAB7．0對(duì)頻率法校正進(jìn)行編程，生成用于進(jìn)行系統(tǒng)校正的通用程序。(3)用戶(hù)可以隨時(shí)查看系統(tǒng)校正前后的各種圖形，從中可以直觀(guān)地看出系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)。(2)應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶(hù)的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專(zhuān)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(kāi)發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。(4)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)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(shí)環(huán)境之中，這就是“仿真”。1980年，美國(guó)新墨西哥州大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任Cleve Moler在給學(xué)生講授線(xiàn)性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在高級(jí)語(yǔ)言編程上花費(fèi)很多時(shí)間，于是著手編寫(xiě)供學(xué)生使用的Fortran字程序庫(kù)借口程序，他將這個(gè)接I：I程序取名為MATLAB(即Matrix Laboratory的前三個(gè)字母的組合，意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”)。20世紀(jì)80年代初期，Moler等一批數(shù)學(xué)家與軟件專(zhuān)家組建了Math Works軟件開(kāi)發(fā)公司，繼續(xù)從事MATLAB的研究和開(kāi)發(fā)，1984年推出了第一個(gè)MATLAB商業(yè)版本，其核心是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。Math Works公司正式推出MATLAB后，于1992年推出了具有劃時(shí)代意義的；，；，在操作界面上有了很大的改觀(guān)，同時(shí)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(hù)提供了極大的方便；2001年6月，功能已十分強(qiáng)大，其虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱更給仿真結(jié)果三維視景下顯示帶來(lái)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(jì)、外部接口、應(yīng)用桌面等多方面有了極大的改進(jìn)；2004年9月正式推出MATLABReleasel4，／，其功能在原有的基礎(chǔ)上又有了進(jìn)一步的改進(jìn)，它是MATLAB目前最新的版本。自20世紀(jì)90年代，在美國(guó)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(jì)劃，MATLAB軟件已成為應(yīng)用代數(shù)、自動(dòng)控制原理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)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。(2)易學(xué)易用性：MATLAB不需要用戶(hù)有高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和程序設(shè)計(jì)能力，不需要用戶(hù)深刻了解算法及編程技巧。它大大加快了工程技術(shù)人員從事軟件開(kāi)發(fā)的效率。(1)MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境是一套方便用戶(hù)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(hù)接口。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(xiàn)幫助文檔。(3)MATLAB語(yǔ)言MATLAB語(yǔ)言是一個(gè)高級(jí)的基于矩陣／數(shù)組的語(yǔ)言，它有程序流控制、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入／輸出和每年向?qū)ο缶幊痰忍厣?4)MATLAB圖形處理系統(tǒng)圖形處理系統(tǒng)使得MATLAB能方便地圖形化顯示向量和矩陣，而且能對(duì)圖形添加標(biāo)注和打印。(5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API)MATLAB應(yīng)用程序接口(API)是一個(gè)使MATLAB語(yǔ)言能與C、Fortran等其他高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行交互的函數(shù)庫(kù)，該函數(shù)庫(kù)的函數(shù)通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)實(shí)現(xiàn)與MATLAB文件的數(shù)據(jù)交換，其主要功能包括在MATLAB中調(diào)用C和Fortran程序，以及在MATLAB與其它應(yīng)用程序間建立客戶(hù)／服務(wù)器關(guān)系。GUI是用圖形對(duì)象—GUI控件，如：按鈕、文本、滑塊和菜單等組成的用戶(hù)界面。例如，只要簡(jiǎn)單移動(dòng)一下滑塊，一個(gè)變量的值就隨著發(fā)生變化；當(dāng)點(diǎn)擊OK按鈕時(shí)，我們的設(shè)置得到應(yīng)用并且對(duì)話(huà)框關(guān)閉。這也為GUI設(shè)計(jì)提供了廣闊的前景。通過(guò)用戶(hù)與底層的程序代碼創(chuàng)建的界面，用戶(hù)可以不了解具體程序命令行而去操作應(yīng)用程序。特別是使用MATLAB計(jì)算軟件的絕大多數(shù)用戶(hù)，并不關(guān)心GUI的開(kāi)發(fā)，而重點(diǎn)關(guān)注于MATLAB巨大的數(shù)值計(jì)算、工程分析等。GUI成為高質(zhì)量程序與其用戶(hù)交流的平臺(tái)。使用MATLAB讓用戶(hù)不再關(guān)心大量底層與開(kāi)發(fā)無(wú)關(guān)的工作，真正地解放了用戶(hù)的雙手，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率，讓用戶(hù)更專(zhuān)注于更需要它他的地方。讓那些其他環(huán)境的用戶(hù)和新用戶(hù)能夠快速地轉(zhuǎn)換和上手。開(kāi)發(fā)前的思考、開(kāi)發(fā)文檔的編輯對(duì)于理清編程者的思路、提高開(kāi)發(fā)效率有十分重要的作用。一個(gè)優(yōu)秀的界面基本上符合下面的標(biāo)準(zhǔn)：(1) 易用性設(shè)計(jì)界面時(shí)，力求簡(jiǎn)潔、直接、清晰的反映界面的功能和特征。(2)統(tǒng)一性統(tǒng)一性包括使用標(biāo)準(zhǔn)的組件，也指使用相同的信息表現(xiàn)方法，如在字體、標(biāo)簽風(fēng)格、顏色、術(shù)語(yǔ)、顯示錯(cuò)誤信息等方面保持一直。(4)合理性界面大小合適，布局力求簡(jiǎn)潔、有序、易于操作。第3章控制系統(tǒng)性能指標(biāo)及校正裝置分類(lèi)對(duì)于線(xiàn)性系統(tǒng)，常用的分析方法有三種：1)時(shí)域分析方法；2)根軌跡法(不作詳細(xì)說(shuō)明)；3)頻率特性法；時(shí)域分析方法，是一種直接分析方法，具有直觀(guān)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于低階系統(tǒng)。3．1控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的目的是使控制系統(tǒng)滿(mǎn)足特定的性能指標(biāo)，性能指標(biāo)與控制精度、相對(duì)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等因素有關(guān)。控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)按類(lèi)型可分為：1時(shí)域性能指標(biāo)，包括穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，；（1）延遲時(shí)間Ta：指h(t)上升到穩(wěn)態(tài)的50%所需的時(shí)間。（3）峰值時(shí)間Tp：h(t)第一次達(dá)到峰值所需的時(shí)間。（4）超調(diào)量d :h(t)的最大值與穩(wěn)態(tài)值之差與穩(wěn)態(tài)值之比：（5）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts:指h(t)和h(165。它反映了系統(tǒng)的快速性。（7） 穩(wěn)態(tài)誤差ess: 單位反饋時(shí)，實(shí)際值（穩(wěn)態(tài)）與期望值（1（t））之差。2頻域性能指標(biāo)，包括開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo)和閉環(huán)頻域指標(biāo)。如果性能指標(biāo)以單位階躍響應(yīng)的峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等時(shí)域特征量給出，那么一般采用根軌跡法進(jìn)行設(shè)計(jì)；如果性能指標(biāo)以相角裕度、幅值裕度等頻域特征量給出，那么一般采用頻率法進(jìn)行設(shè)計(jì)。1)二階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系（近似公式）：剪切頻率諧振頻率諧振峰值帶寬頻率調(diào)節(jié)時(shí)間相角裕度超調(diào)量2）高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系（近似公式）：諧振峰值超調(diào)量δ=+（Mr1），1調(diào)節(jié)時(shí)間ts=K0π/wc K0=2+（Mr1）+（Mr1）23. 2控制系統(tǒng)校正的分類(lèi)為使控制系統(tǒng)能滿(mǎn)足一定的性能指標(biāo)，通常需要在控制系統(tǒng)中引入一定的附加裝置，稱(chēng)為控制器或校正裝置。 (1)超前校正裝置校正裝置輸出信號(hào)在相位上超前于輸入信號(hào)，即校正裝置具有正的相角特性，這種校正裝置稱(chēng)為超前校正裝置，對(duì)系統(tǒng)的校正稱(chēng)為超前校正。(3)超前滯后校正裝置校正裝置在某一頻率范圍內(nèi)具有負(fù)的相角特性，而在另一頻率范圍內(nèi)卻具有正的相角特性，這種校正裝置稱(chēng)為超前滯后校正裝置，對(duì)系統(tǒng)的校正稱(chēng)為超前滯后校正。串聯(lián)校正和并聯(lián)校正是最常見(jiàn)的兩種校正方式。串聯(lián)校正通常設(shè)置在前向通道中能量較低的點(diǎn)，為此通常需要附加放大器以增大增益，補(bǔ)償校正裝置的衰減或進(jìn)行隔離。(2)反饋校正如果從系統(tǒng)的某個(gè)元件輸出取得反饋信號(hào)，構(gòu)成反饋回路，并在反饋回路內(nèi)設(shè)置傳遞函數(shù)為Gc(5)的校正元件，則稱(chēng)這種形式的校正為反饋校正。 (3)前饋校正如果從系統(tǒng)的輸入元件輸出取得前饋信號(hào)，構(gòu)成前饋回路，并在前饋回路內(nèi)設(shè)置傳遞函數(shù)Gc（S）的校正元件，則稱(chēng)這種形式的校正為前饋校正。前饋校正通常用于補(bǔ)