基于MATLAB的数字控制器设计与仿真.

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目录

摘要： .............................................................................. 1 ABSTRACT .......................................................................... 1 1 绪论 ............................................................................ 2 1.1 数字控制器的发展概况 ......................................................... 2

1.2 课题研究意义. ................................................................ 2

1.2.1 课题研究内容 ........................................................... 2 1.2.2 本课题研究意义 ......................................................... 2 1.3 论文主要研究工作及结构安排 ................................................... 3

1.3.1 方案的确立 ............................................................. 3 1.3.2 硬件设计工作 ........................................................... 3 1.3.3 计算机软件分类 ......................................................... 3 1.4 本文的主要工作 ............................................................... 3 2 MATLAB和SIMULINK的概述 ....................................................... 4

2.1 MATLAB仿真 ................................................................ 4 2.2 SIMULINK的使用 ............................................................ 4 2.3 系统基本原理 ................................................................. 5 2.4 本章小结 ..................................................................... 5 3 基于MATLAB/SIMULINK的控制算法研究 ............................................. 6

3.1 PID控制算法 ................................................................. 6 3.2 PID参数整定 ................................................................. 7

3.2.1 PID被控参数的选定 ...................................................... 7 3.2.2 PID的最佳整定参数的选定 ................................................ 8 3.3 数字控制器的直接设计 ......................................................... 8

3.3.1 最少拍无静差有波纹系统的算法 ........................................... 8 3.3.2 最少拍无波纹算法 ...................................................... 11 3.4 本章小结 .................................................................... 12 4 基于MATLAB/SIMULINK数字控制器仿真 ............................................ 13

4.1 仿真实例 .................................................................... 13

4.1.1 PID控制系统仿真....................................................... 13 4.1.2 控制系统校正装置的仿真 ................................................ 14 4.2数字控制器的直接设计方法 .................................................... 15

4.2.1 最少拍无静差有波纹系统的设计 .......................................... 15 4.2.2 最少拍无波纹系统仿真 .................................................. 16 4.3本章小结 .................................................................... 17 总结 ............................................................................... 18 参考文献 ........................................................................... 18 致谢 ............................................................................... 19

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基于MATLAB的数字控制器设计与仿真

摘要：本文介绍了MATLAB/SIMULINK的应用概况，主要通过SIMULINK在数字控制器仿真中

的应用，以一实例为例，通过MATLAB仿真实验，研究了最少拍有纹波无纹波的计算：比例控制；比例积分控制；比例微分控制对系统控制的影响，最后，基于MATLAB/SIMULINK，给出连续系统的PID仿真、控制系统动态校正装置的仿真和数字控制器直接设计的仿真。直接进行数字控制器的设计，主要介绍最少拍系统控制器的设计与仿真。

关键词：PID控制器；数字控制器；仿真；MATLAB

Based on MATLAB digital controller design and simulation

ABSTRACT：The paper introduces the application of MATLAB/SIMULINK, mainly through

SIMULINK application in digital controller, a simulation example, for example, by MATLAB simulation experiment, we studied the ripple minimum clap have no ripple of computing: proportional control, Proportion integral control, Percentage differential control system to control the influence, and finally, based on MATLAB/SIMULINK continuous systems, the PID control system dynamic simulation, calibration device simulation and digital controller design directly simulation. Direct digital controller design, mainly introduce the system controller design at least pat.

Key words:PID controller;digital controller design；simulation; MATLAB

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1 绪论

1.1 数字控制器的发展概况

随着计算机技术的迅猛发展,计算机的应用领域也越来越广。数字计算机不仅在科学计算、数据处理等方面获得了广泛的应用,而且在自动控制领域也得到了越来越广泛的应用。数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制,承担了控制系统中控制器的任务,从而形成了计算机控制系统。计算机控制实质是自动控制技术与微机技术的结合。由于微机具有大量存储信息的能力，强大的逻辑判断的功能以及快速运算的本领，使控制器能够解决常规控制器解决不了的难题，能够达到常规控制器达不到的优异性能指标。

模拟化设计要求较小的采样周期，只能实现比较简单的控制算法。由于控制任务的需要，但所选择的采样周期比较大或对控制器质量要求比较高时，就要从被控对象的特性出发，直接根据采样系统理论来设计数字控制器。直接数字设计比模拟化设计具有更一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进行分析与综合，并导出相应的控制规律的。利用微机的灵活性，就可以实现从简单到复杂的各种控制规律。

1.2 课题研究意义.

1.2.1 课题研究内容

本课题的内容为在MATLAB下的数字控制器设计与仿真，主要介绍最少拍系统。在计算机控制系统中,MATLAB软件的应用。由于最少拍控制系统模拟连续系统要求的参数准确，但在实验电路中的元器件自身参数的不准确性，及受温度或其它因素的影响，很难做到参数的准确，特别是一阶惯性环节和积分环节的参数不易整定，输出波形易出现失真，很难得到理想的结果，多年来基本上是利用传输函数建立仿真模型，这种仿真模型构建方法相对简单，仅用比例积分、一阶惯性和传输函数数学模块搭建，虽可避免参数的不准确性，但与实际电路相距较远，用到的仅是数学模块也就不易理解最少拍控制系统在实际电路系统中的应用。本文创新之处在于利用MATLAB仿真平台对最少拍控制系统实验电路进行建模，构建最少拍控制系统实验电路的仿真电路图。

1.2.2 本课题研究意义

随着对自动控制系统功能要求的不断提高,计算机控制系统的优越性也表现得越来越突出。现代的控制系统不管是简单的还是复杂的,几乎都是采用计算机控制。在设计计算机控制系统的数字控制器时,由于z域计算的复杂性,已不能像连续系统那样可以靠手工的近似计算确定控制器和检验性能指标,必须利用某种计算机软件进行数字仿真。MATLAB非常适合做控制系统的数字仿真。MATLAB正是一个优秀的计算机辅助工具,MATLAB语言的两个最显著的特点,即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能,使得它成为国际控制界 应用最广的首选计算机工具。现在,MATLAB语言不但

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广泛应用于控制领域,也应用于其它的工程和非工程领域。该文将运用离散系统控制理论，直接进行数字控制器的设计，主要介绍最少拍系统控制器的设计，在MATLAB环境的仿真检验。本课题结果对计算机控制器设计有指导意义。

1.3 论文主要研究工作及结构安排

1.3.1 方案的确立

本论文的研究工作主要围绕数字控制器的设计和在MATLAB下的仿真检验。数字控制器的设计可以从多个方面进行，本文主要介绍最少拍系统控制器的设计，仿真是在MATLAB环境下的Simulink中进行的。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具。一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

1.3.2 硬件设计工作

在确定总体方案并在掌握系统工作原理的基础上,选用一台微机作为上位机。微机中装有MATLAB软件。

1.3.3 计算机软件分类

(1) PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。 (2) SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件

(3) MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。

(4) SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。 本文主要用SIMULINK来进行仿真的。

1.4 本文的主要工作

本课题为工程应用项目研究，对MATLAB/SIMULINK在控制系统中的仿真作了详细的介绍，利用MATLAB中的SIMULINK，论述数字控制的设计。让我们更加了解数字控制器的一些基本内容。本文主要完成以下几方面的工作。

介绍了MATLAB和SIMULINK的应用概况，主要讨论SIMULINK在控制器仿真中的应用，以及最少拍的设计方法。

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2 MATLAB和SIMULINK的概述

2.1 MATLAB仿真

仿真是近几十年发展的一门综合性技术学科，它对系统进行设计、研究和决策提供了一个先进而有效的手段，并可缩小设计周期、降低费用。仿真技术已经广泛应用于工程及非工程的广泛领域，并取得了极大的社会及经济效益。MATLAB正是一个优秀的计算机辅助工具,MATLAB语言的两个最显著的特点,即其强大的矩阵运算能力MATLAB仿真简介目前MATLAB已经成为控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提出了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理和方便的WINDOWS编程等便利工具。此外，控制界很多学者将自己擅长的CAD方法用MATLAB加以实现，出现了大量的MATLAB配套工具箱。图形交互式的模型输人计算机仿真环境SIMULINK的出现为MATLAB应用的进一步推广起到了积极的作用。SIMULINK是一个功能十分强大的仿真软件，其特点主要表现在系统框图建立十分容易并直观，SIMUIJINK的仿真精度是比较高的，所以得出的仿真结果是可信的。利用SIMULINK强大的仿真功能对整个控制系统进行优化设计，可使控制系统的设计工作迎刃而解。

2.2 SIMULINK的使用

MATLAB的SIMULINK子库是一个建模、分析各种物理和数学系统的软件，它用框图表示系统的各个环节，用带方向的连线表示各环节的输入输出关系。

启动SIMULINK十分容易，只需在MATLAB的命令窗口键入“SIMULINK”命令，此时出现一个SIMULINK窗口，包含七个模型库，分别是信号源库、输出库、离散系统库、线性系统库、非线性系统库及扩展系统库。

(1)信号源库

包括阶跃信号、正弦波、白噪声、时钟、常值、文件、信号发生器等各种信号源，其中信号发生器可产生正弦波、方波、锯齿波、随机信号等波形。

(2)输出库

包括示波器仿真窗口、MATLAB工作区、文件等形式的输出。 （3） 离散系统库

包括五种标准模式:延迟，零-极点，滤波器，离散传递函数，离散状态空间。 （4） 线性系统库

提供七种标准模式:加法器、比例环节、积分环节、微分环节、传递函数、零-极点、状态空间。 （5） 非线性系统库

提供十三种常用标准模式:绝对值、乘法、函数、回环特性、死区特性、斜率、继电器特性、饱和特性、开关特性等。

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