计算机模拟控制系统 建模设计
1绪论
1.1计算机控制系统
计算机控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域得到了成功的应用。随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的要求。现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而计算机技术的发展为新型控制方法的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。进而计算机控制系统广泛的应用于工厂生产，逐渐融入于生产中，各类大型工厂均离不开计算机控制系统。
1.1.1系统的分类
按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不确定系统。
1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。今后我们所讨论的系统主要以线性定常连续系统为主。
2、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。这类系统用差分方程来描述。
3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。
1.1.2系统的数学模型
在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。
1.2计算机模拟控制系统
模拟控制系统由给定输入、模糊控制器、控制对象、检测变送装置、反馈信号与给定输入的相加环节等组成。模拟控制系统的各处均为连续信号，在模拟系统中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行调节计算，产生控制信号驱动执行机构，从而被控参数的值达到预期值。其典型结构如下图所示：
给定值被控参数控制器执行器被控对象
反—
馈
值
监测装置
1.3数学模型及其建立方法
1.3.1数学模型的表达形式与对模型的要求
从最广泛的意义上说，数学模型是事物行为规律的数学描述。根据所描述的是事物在稳态下的行为规律还是在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之分。一般来说，静态模型较易得到，动态特性往往成为建模的关键所在。
1.建立数学模型的目的
（1）制定优化的操作方案
（2）制定控制系统的设计方案，利用数学模型进行仿真研究
（3）进行控制系统调试和控制器参数的整定
（4）设计工业过程的故障检测与诊断系统
（5）制订大型设备启动和停车的操作方案
2.被控对象数学模型的表达形式
众所熟知，被控对象的数学模型可以采取各种不同的表达形式，主要可以从一下几个观点加以划分：
（1）按系统的连续性分为连续系统、离散系统模型和混杂系统模型。
（2）按模型的结构划分为输入输出模型和状态空间模型
（3）输入输出模型又可按论域划分为时域表达——阶跃响应、脉冲响应；频域表达——传递函数
在控制系统的设计中，所需要的被控对象数学模型在表达式上是因情况而异的。
3.被控对象数学模型的利用方式
被控对象的数学模型只是在进行控制系统的设计研究时或在控制系统的调试整定阶段中发挥作用。。这种利用方式一般是离线的。
近十多年来，由于计算机的发展和普及，相继推出一类新型控制系统，其特
点是要求把被控对象的数学模型作为一个组成部分嵌入控制系统中，预测控制系统即是一个例子。
4.对被控对象数学模型的要求
作为数学模型，首先是要求它准确可靠，但这并不意味着越准确越好。应根据实际应用情况提出适当的要求。超过实际需要的准确性要求必然造成不必要的浪费。在线运用的数学模型还有实时性的要求，它与准确性要求往往是矛盾的。
一般说，用于控制的的数学模型并不要求非常准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，因为模型的误差可以视为扰动，而闭环控制在某种程度上具有自动消除扰动影响的能力。
实际生产过程的动态特性是非常复杂的，控制人员在建立其数学模型时，不得不突出主要因素，忽略次要因素，否则就得不到可用的模型。为此往往需要做很多近似处理，例如线性化、分布参数系统集总化和模型降价处理等。在这方面有时很难得到工艺人员的理解。从工艺人员看来，有些近似处理简直是难以接受的，但它却能满足控制的要求。
1.3.2建立数学模型的基本方法
简历数学模型的基本方法有两个：机理法和实验法。
1.机理法建模
用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程如：物质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程，相平衡方程，反映物体运动、传热、传质、化学反应等基本规律的方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。
由此可见，用机理建模的首要条件是生产过程的机理必须已经成为人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述。其次，很显然，除非是非常简单的被控对象，否则很难得到以紧凑的数学形式表达的模型。
近几十年来，随着电子计算机的普及使用和数值分析方法的发展，对数学模型的的研究有了迅速的发展。可以说，只要机理清楚，就可以利用计算机求解几乎任何复杂系统的数学模型。根据对模型的要求，合理的近似假定总是必不可少的。模型应该尽量简单，同时保证达到合理的精度。有时还需要考虑实时性的问题。
用机理建模时，有时也会出现模型中有某些系数或参数难以确定的情况。这时可以用实验拟合方法或过程辨识方法把这些未知量估计出来。
2.实验法建模
实验法一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某些数学处理后得到的模型。它的主要特点是把被研究的工业过程视
为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。
过程的动态特性只有当它处于变动状态下才会表现出来，在稳态下是表现不出来的。因此为了获得动态特性，必须是被研究的过程处于被激励的状态，例如人为施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。为了有效的进行这种动态特性测试，仍然有必要对过程内部机理有明确的定性了解，例如究竟有那些主要因素在起作用，它们之间的因果关系如何等等。丰富的验前知识无疑会有助于成功地用实验法建立数学模型。那些内部机理尚未被人们充分了解的过程是难以用实验法建立其准确的动态数学模型的。
用实验法建模一般比用机理法要简单和省力，尤其是对于那些复杂的工业过程更为明显。如果两者都能达到同样的目的，一般都采用实验法建模。
实验法建模又可分为经典辨识法和现代辨识法两大类，它们大致可以按是否必须利用计算机进行数据处理为分界限。
经典辨识法不考虑测试数据中偶然性误差的影响，它只需对少量的测试数据进行比较简单的数学处理，计算工作量一般很小，可以不用计算机。
现代辨识法的特点是可以消除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，为此就需要处理大量的测试数据，计算机是不可缺少的工具。它所涉及的内容很丰富，已经形成一个专门的学科分支。
2水箱水位系统概述
在能源、化工等多个领域中普遍存在着各类液位控制系统液。各种控制方式在液位控制系统中也层出不穷，如较常用的浮子式、磁电式和接近开关式。而随着我国工业自动化程度的提高，规模的扩大，在工程中液位控制的计算机控制得到越来越多的应用。液位控制系统的检测及计算机控制已成为工业生产自动化的一个重要方面。
本次课程设计一水箱水位系统为例，设计水箱水位系统的模拟控制系统，对水箱水位控制系统进行建模设计。
2.1水箱水位控制系统硬件设计
液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装
方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。
2.1.1 有自平衡能力的单容元件
如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态，在没有外部干预的情况下（指没有自动控制或人工控制参与），被控变量依靠被控对象内部的反馈机理，能自发达到新的平衡状态，我们称这类对象是有自平衡能力的被控对象。
具有自平衡能力的单容对象的传递函数为
(2.1)
这是个一阶惯性环节。描述这类对象的参数是时间常数T和放大系数K。
图2.1 单容水箱
图2.1是单容水箱的示意图。我们已经推导过水箱的传递函数为
其中T=RC，C为水箱的横截面积，R为输出管道阀门的阻力。T称为水箱的时间常数。K称为水箱的放大系数。一阶系统的特性我们已经在时域分析中进行了详细的讨论，所有结论都适用于单容对象。作为过程控制的被控对象，单容对象的时间常数比较大。
2.1.2电动机的数学模型
直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢
上，这是一种普遍采用的控制方式。设为输入的控制电压电枢电
流为电机产生的主动力矩
为电机轴的角速度为电机的电感为电枢导数的电阻
为电枢转动中产生的反电势为电机和负载的转动惯量
根据电路的克希霍夫定理
整理后
式中：称为直流电动机的电气时间常数；称为直流电动机的机电时间常数；
,为比例系数。直流电动机电枢绕组的电感比较小，一般情况下可以忽略不计，式（2.4）可简化为
2.1.3减速器的传递函数
减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，其传递函数如下：
2.2系统的传递函数
控制器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投
资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。
写出控制器、执行结构、被控对象、反馈机构的传递函数，则系统的总传递函数为：
)(s G =)()()()(1)
()()(s G s G s G s G s G s G s G h p v c p v c +
其中：)(s G c 为系统的控制器传递函数，)(s G v 为系统的执行器传递函数，)(s G p 为被控对象传递函数，)(s G h 为系统反馈装置传递函数。
2.2.1控制器的确定
根据本次试验，选择被控对象电机的数学模型为)(s G p =
)1(s 1+s ，执行机构的传递函数为)(s G v =501，反馈系统的数学模型为)(s G h =s
5.012+ 故确定当e%≤30%时，系统控制器的传递函数为)(s G c =s
02.01s 02.0082.0）（+ 故系统的传递函数为：)(s G =2
.8164.05075251.4292.0041.02342++++++s s s s s s 系统的特征方程为：02.8164.0507525234=++++s s s s
劳斯表为：
4s 25 50 8.2
3s 75 0.164 0
2s 23 8.2 0
1s 18 0
0s 8.2
显然，劳斯表第一列系数符号相同，故系统是稳定的。
2.3控制器的正反作用 控制系统要能正常工作，必须有一个负反馈控制系统。为了保证这一点，必须正确选择各环节的正反作用。控制器的正反作用是根据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系确定的。被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，则
控制器为正作用控制器，并规定其稳态放大系数 为负。被控对象的测量值增加时，控制器的输出值减小，则控制器为反作用控制器，并规定器稳态放大系数
为正。 被控对象的输出与调节阀内的介质流量变化决定了被控对象的正反作用。介质流量增加，被控对象的输出也增加，则被控对象为正作用，规定其放大系数
为正。介质流量增加时，被控对象输出减小，则被控对象为反作用，规定其
放大系数 为负。
执行器气开式为正作用，气关式为反作用，并规定正作用调节阀的放大系数
为正，反作用的 为负。
变送器的作用一般都是正作用，其放大系数
为正。 要保证系统是负反馈系统，组成系统的各环节的正反作用的乘积必须为正。这可
用各环节的放大系数来表示。即 为正。这里相乘只取正符号计算，不必计算放大系数的具体数值。
选择控制器的正反作用的步骤是先根据工艺及安全要求确定调节阀正反作用，被控对象的正反作用是固有的特性，测量变送器一般是正作用，所以往往可以排除
在外，最后再选择控制器的正反作用，使 的乘积为正。
3硬件电路
控制器传递函数)(s G c =
s
02.01s 02.0082.0）（ ，由传递函数可知系统控制器是由比例环节、积分环节、微分环节组成，用硬件实现控制器，经过计算，控制器可由运算放大器、电阻、电容组成，其结构如下图所示：
由控制器的传递函数进而确定电阻电容的确定值，C K =
21R R ,C R 1=0.02,选择1R 为2千欧，则2R 整定为9千欧，电容值为0.01微法。
3.1控制系统的校正 在工业生产过程中，被控对象的特性并不是不变的。当被控对象特性发生变化后，原定整定的控制参数就不是最合适的参数了，必须重新整定。这将给连续化的生产带来不利的影响。有一种控制系统，能根据被控对象特性的变化或其他条件的变化，自动调整控制系统的控制规律和控制器的控制参数，使控制系统始终处于最佳状态，我们称这种控制系统为自适应控制系统。能对控制器参数进行自动整定的自适应控制系统成为自校正系统或自整定系统。
图4.1 自校正系统的工作原理
图 4.1时自校整系统的工作原理图。自校正系统与一般控制系统相比，增加了两种功能：一是根据控制器输出和被控对象输出分析对象的特性，即对对象进行识别；二是根据识别结果计算并改变控制器参数，称为决策。例如假定被控对象的模型为 :
对象识别环节就会根据测量的值对K,T和进行估计。决策环节则根据求出的对象参数按规定的整定规则计算出控制器参数并对控制器参数进行修改。
3.2控制系统的稳态误差
开环传递函数表示为
式中K表示系统的开环放大系数。N表示开环传递函数所包含的积分环节数。在分析控制系统的稳态误差时，我们根据系统开环传递函数所含的积分环节数来对系统进行分类。若N=0，即控制系统开环传递函数不含积分环节，称为0型系统。若N=I,则称为I型系统。N= Ⅱ,称为Ⅱ型系统。现在，我们来讨论不同类型的控制系统在典型输入信号作用下的稳态误差。单位斜坡函数输入的稳态误差
单位斜坡函数输入下控制系统的稳态误差为
定义
则系统的稳态误差为
式中，称为速度误差系数。对于0型系统
稳态误差为
稳态误差为
式中K为系统的开环放大系数。
通过对该系统的判断得知该系统是稳定的系统。设计对系统的各种情况进行了分析，对自动控制理论有了深刻的了解。
4仿真软件介绍
4.1 MATLAB的启动和退出
启动：1．双击桌面上MATLAB的快捷方式图标即可。
2．开始→程序→MATLAB6.5文件夹→单击。
退出：1．直接单击界面的关闭图标即可退出MATLAB。
2．在指令窗口输入quit或exit后回车即可。
3．选择菜单File→Exit MATLAB。
4.1.1MATLAB操作桌面简介
1．MATLAB的缺省外貌
上图为MATLAB6.5的缺省外形，界面上铺放着3个最常用的窗口：命令窗口（Command Window）、工作空间（Workspace）、命令历史窗（Command History）。
命令窗口（Command Window）是用户和MATLAB进行交互的主要方式。命令窗口显示的提示符为“>>”，一般可以在命令窗口中直接进行简单的算术运算和函数调用。
2．MATLAB语句形式
》变量＝表达式
通过等号“=”将表达式的值赋予变量。当键入回车键时，该语句被执行。语句执行之后，窗口自动显示出语句执行的结果。如果希望结果不被显示，则只要在语句之后加上一个分号“；”即可。此时尽管结果没有显示，但它依然被赋值并在MATLAB工作空间中分配了内存。
注意：MATLAB中所有符号必须在英文状态下输入（汉字除外），而且MATLAB 区分字母的大小写。
3．命令窗口（Command Window）特殊功能键
命令窗口有一些常用的特殊功能键，利用它们可以使操作更加简单快捷。常用的特殊功能键如下表所列。
键名作用键名作用
↑或Ctrl+P 恢复前面的命令（即
前寻式调回已输入
的指令行）Home 使光标移动到当前行的
首端
↓或Ctrl+N 恢复当前命令之后
键入的命令（即后寻
式调回已输入的指
令行）End 使光标移动到当前行的
尾端
←或Ctrl+B 向左移动一个字符Delete 删除光标右边的字符→或Ctrl+F 向右移动一个字符Backspace 删除光标左边的字符PageUp 前寻式翻阅当前窗
中的内容
Esc 清除当前行的全部内容
PageDown 后寻式翻阅当前窗
中的内容
Ctrl+K 删除至当前行尾
4.1.2命令窗口菜单（Command Window）简介
1、File菜单
New：用于新建M编程文件、Figure图形文件和GUI图形界面操作文件，还
可以根据自己需要来建立相应的文件。
Open:用于打开MATLAB的相关文件。
Close Command Window：用于关闭命令窗口。
Set Path：设置所编辑文件的工作路径。
2、Edit菜单
Undo:撤消前一步操作。
Redo：重新执行前一步操作。
Clear Command Window：清除命令窗口的对象。
Clear Command History：清除命令窗口的历史记录。
Clear Workspace：清除工作区环境的对象。
3、View:菜单
Desktop Layout：用于设置工作区，设置选项有系统的默认设置项（Default）、单独命令窗口项(Command Window Only)、简洁窗口项(Simple)、长短历史窗口项(Short History和Tall History)和五个窗口面板显示(Five Panel)。
Command Window：命令窗口项，选择该项，屏幕上显示命令窗口。
Command History：命令历史窗口项，选择该项，屏幕上显示命令窗口。
Command Directory：当前路径窗口项，选择该项，屏幕上显示当前路径窗口。
Workspace：工作区域窗口，选择该项，屏幕上显示工作区域窗口。
Help：帮助面板，选择该项，屏幕上此窗口。
4．窗口命令
clf:该命令用于清除图形窗口中的所有非隐蔽的图形对象。
close：该命令用于关闭当前的图形窗口。
close all：该命令用于关闭所有的图形窗口。
cla：该命令用于清除当前坐标系下的所有非隐蔽图形对象。
clc：该命令用于命令窗口中的内容，光标将回到窗口的左上角。
home：该命令用于将光标回到窗口的左上角。
5．工作空间管理命令
who:该命令用于列出当前工作区间的所有变量。
whos：该命令用于列出当前工作区间的所有变量，并显示变量的大小、类型及其占用的磁盘空间。
clear：该命令用于从工作区间清除所有的变量。
workspace：该命令用于显示Workspace浏览器。
quit：该命令用于MATLAB软件。
6．文件路径编辑命令
path:该命令用于显示所有的MATLAB文件路径。
addpath:该命令用于将一个新目录名添加到的搜索路径里，其调用格式为addpath('directory')。
7．操作系统命令
cd：该命令用于显示当前工作目录名。
cd〈目录〉：该命令用于进入所指定的目录。
cd…：该命令用于回到上一级目录。
dir〈目录名〉：该命令用于显示指定目录中的文件及其子目录。
8．系统帮助命令
help:该命令用于在命令窗口中显示MATLAB函数的帮助信息。
lookfor:该命令用于搜索指定的目录文件或函数。
ver:该命令用于显示MATLAB版本。
4.2变量
1、变量的命名
变量的名字必须以字母开头（不能超过19个字符），之后可以是任意字母、数字或下划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包含有标点符号。
2、MATLAB所定义的特殊变量及其意义
变量名意义
ans用于结果的缺省变量名
i或j 基本虚数单位（即1
）
who 列出所有定义过的变量名称
ans 最近的计算结果的变量名(即answer的缩写)
eps MATLAB定义的正的极小值=2.2204e-16
pi 圆周率π值3.14159265...
inf ∞值，无限大，如1/0
NaN或nan 非数（Not A Number）,如0/0
nargin 函数的输入变量个数
nargout 函数的输出变量个数
3、变量操作
在命令窗口中，同时存储着输入的命令和创建的所有变量值，它们可以在任何需要的时候被调用。如要察看变量a的值，只需要在命令窗口中输入变量的名称即可：》a
4.3MATLAB的矩阵运算
矩阵的建立
●在命令窗口中输入
矩阵的输入必须有以下3个要素：
①输入矩阵必须以方括号“[]”作为其头尾；
②矩阵行与行之间必须用分号“；”或在输入完一行之后直接用回车键【Enter】隔离；
③矩阵元素必须以逗号“，”或空格号分离。
●语句生成
①用线性等间距生成向量矩阵（start：step：end）
其中start为起始值，step为步长，end为终止值。当步长为1时可省略step 参数；另外step也可以取负数。
例1：用线性等间距生成向量矩阵
》a=[1:2:10]
a=
1 3 5 7 9
②a=linspace(n1,n2,n)
在线性空间上，行矢量的值从n1到n2，数据个数为n，缺省n为100。
例2：用linspace生成向量矩阵
》a=linspace(1,10,10)
a=
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
③a=logspace(n1,n2,n)
在对数空间上，行矢量的值从1
10n到2
10n，数据个数为n，缺省n为50。这个指令为建立对数频域轴坐标提供了方便。
4.4仿真
对系统进行仿真，如果系统的稳定，响应速度好，超调和震荡适中，则本次建模成功，如果仿真结果不理想，则重新对系统建模，直到系统仿真成功，再进行现场调试。
5结论
水箱水位控制系统在工业中利用广泛，本文仅以一级系统作为仿真实例，重点对模拟系统进行了校正与控制，对系统的稳定性也进行了分析，对系统所需要的部分元件也进行了必要的分析，并对系统进行了劳斯判据判断，使系统处于稳态。此次设计对系统的时域分析与频域分析部分略了些，因为在设计处对此已经进行了深刻的研究和谈讨。设计同时参考了一些课外质料引入了一些新的名词，不过在文章中都有所介绍。设计弥补了在学习上的一些不足，丰富了一些新的思路在设计之中。
本次设计过程增加了自己的经验，是自己有理论学习到工程实践的重要一步，为以后的学习工作奠定了一定的基础，增加了自己在工程上对自己所学的知识的见解。
6参考文献
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建模与仿真
第1章建模与仿真的基本概念 参照P8例子，列举一个你相对熟悉的简单实际系统为例，采用非形式描述出来。 第2章建模方法论 1、什么是数学建模形式化的表示？试列举一例说明形式化表示与非形式化表示的区别。 模型的非形式描述是说明实际系统的本质，但不是详尽描述。是对模型进行深入研究的基础。主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设组成。模型的非形式描述主要说明实体、描述变量、实体间的相互关系及假设等。 例子：环形罗宾服务模型的非形式描述： 实体 CPU，USR1，…，USR5 描述变量 CPU:Who,Now(现在是谁)----范围{1,2,…,5}; Who.Now=i表示USRi由CPU服务。 USR：Completion.State（完成情况）----范围[0，1]；它表示USR完成整个程序任务的比例。参变量 X-----范围[0，1]；它表示USRi每次完成程序的比率。 i 实体相互关系 （1）CPU 以固定速度依次为用户服务，即Who.Now为1，2，3，4，5，1，2…..循环运行。 X工作。假设：CPU对USR的服务时间固定，不（2）当Who.Now=I,CPU完成USRi余下的 i X决定。 依赖于USR的程序；USRi的进程是由各自的参变量 i 2、何谓“黑盒”“白盒”“灰盒”系统？ “黑盒”系统是指系统内部结构和特性不清楚的系统。对于“黑盒”系统，如果允许直接进行实验测量并通过实验对假设模型加以验证和修正。对属于黑盒但又不允许直接实验观测的系统，则采用数据收集和统计归纳的方法来假设模型。 对于内部结构和特性清楚的系统，即白盒系统，可以利用已知的一些基本定律，经过分析和演绎导出系统模型。 3、模型有效性和模型可信性相同吗？有何不同？ 模型的有效性可用实际系统数据和模型产生的数据之间的符合程度来度量。它分三个不同级别的模型有效：复制有效、预测有效和结构有效。不同级别的模型有效，存在不同的行为水平、状态结构水平和分解结构水平的系统描述。 模型的可信度指模型的真实程度。一个模型的可信度可分为： 在行为水平上的可信性，即模型是否重现真实系统的行为。 在状态结构水平上可信性，即模型能否与真实系统在状态上互相对应，通过这样的模型可以对未来的行为进行唯一的预测。 在分解结构水平上的可信性，即模型能否表示出真实系统内部的工作情况，而且是惟一表示出来。 不论对于哪一个可信性水平，可信性的考虑贯穿在整个建模阶段及以后各阶段，必须考虑以下几个方面： 1在演绎中的可信性。2在归纳中的可信性。3在目的方面的可信性。 4、基于计算机建模方法论与一般建模方法论有何不同？（P32） 经典的建模与仿真的主要研究思路，首先界定研究对象-实际系统的边界和建模目标，利用已有的数学建模工具和成果，建立相应的数学模型，并用计算装置进行仿真。这种经典的建
控制系统仿真课程设计报告.
控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
计算机仿真课程设计报告
、 北京理工大学珠海学院 课程设计任务书 2010 ～2011 学年第 2学期 学生姓名：林泽佳专业班级：08自动化1班指导教师：钟秋海工作部门：信息学院一、课程设计题目 ： 《控制系统建模、分析、设计和仿真》 本课程设计共列出10个同等难度的设计题目，编号为：[0号题]、[1号题]、[2号题]、[3号题]、[4号题]、[5号题]、[6号题]、[7号题]、[8号题]、[9号题]。 学生必须选择与学号尾数相同的题目完成课程设计。例如，学号为8xxxxxxxxx2的学生必须选做[2号题]。 二、课程设计内容 （一）《控制系统建模、分析、设计和仿真》课题设计内容|
！ " [2 有波纹控制器Dy(z)和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw(z)。具体要求见（二）。 （二）《控制系统建模、分析、设计和仿真》课题设计要求及评分标准【共100分】 , 1、求被控对象传递函数G(s)的MATLAB描述。（2分） 2、求被控对象脉冲传递函数G(z)。（4分） 3、转换G(z)为零极点增益模型并按z-1形式排列。（2分） 4、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位加速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际 闭环系统稳定的要求。（6分） 5、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dy(z)可实现、最少拍和实际闭环系统稳 定的要求。（8分）
6、根据4、5、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。 （12分） 7、求针对单位加速度信号输入的最少拍有波纹控制器Dy(z)并说明Dy(z)的可实现性。 （3分） ！ 8、用程序仿真方法分析加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（7分） 9、用图形仿真方法(Simulink)分析单位加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。 （8分） 10、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际 闭环系统稳定的要求。（6分） 11、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dw(z)可实现、无波纹、最少拍和实际 闭环系统稳定的要求。（8分） 12、根据10、11、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。 （12分） 13、求针对单位速度信号输入的最少拍无波纹控制器Dw(z)并说明Dw(z)的可实现性。（3分） 14、用程序仿真方法分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（7分） 15、用图形仿真方法(Simulink)分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。 & （8分） 16、根据8、9、14、15、的分析，说明有波纹和无波纹的差别和物理意义。（4分） 三、进度安排 6月13至6月14：下达课程设计任务书；复习控制理论和计算机仿真知识，收集资料、熟悉仿真工具；确定设计方案和步骤。 6月14至6月16：编程练习，程序设计；仿真调试，图形仿真参数整定；总结整理设计、 仿真结果，撰写课程设计说明书。 6月16至6月17：完成程序仿真调试和图形仿真调试；完成课程设计说明书；课程设计答 辩总结。 [ 四、基本要求
实验七-对汽车控制系统的设计与仿真
实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示
课程设计之matlab仿真报告
西安邮电大学 专业课程设计报告书 院系名称：电子工程学院学生姓名：李群学号05113096 专业名称：光信息科学与技术班级：光信1103 实习时间：2014年4月8日至2014年4月 18日
一、课程设计题目： 用matlab 仿真光束的传输特性。 二、任务和要求 1、用matlab 仿真光束通过光学元件的变换。 ① 设透镜材料为k9玻璃，对1064nm 波长的折射率为1.5062，镜片中心厚度为3mm ，凸面曲 率半径，设为100mm ，初始光线距离透镜平面20mm 。用matlab 仿真近轴光线（至少10条）经过平凸透镜的焦距，与理论焦距值进行对比，得出误差大小。 ② 已知透镜的结构参数为101=r ，0.11=n ，51=d ，5163.121==' n n （K9玻璃）， 502-=r ，0.12=' n ，物点A 距第一面顶点的距离为100，由A 点计算三条沿光轴夹角分别为10、20、 30的光线的成像。试用Matlab 对以上三条光线光路和近轴光线光路进行仿真，并得出实际光线的球差大小。 ③ 设半径为1mm 的平面波经凸面曲率半径为25mm ，中心厚度3mm 的平凸透镜。用matlab 仿 真平面波在透镜几何焦平面上的聚焦光斑强度分布，计算光斑半径。并与理论光斑半径值进行对比，得出误差大小。（方法：采用波动理论，利用基尔霍夫—菲涅尔衍射积分公式。） 2、用MATLAB 仿真平行光束的衍射强度分布图样。（夫朗和费矩形孔衍射、夫朗和费圆孔衍射、夫朗和费单缝和多缝衍射。） 3、用MATLAB 仿真厄米—高斯光束在真空中的传输过程。（包括三维强度分布和平面的灰度图。） 4、（补充题）查找文献，掌握各类空心光束的表达式，采用费更斯-菲涅尔原理推导各类空心光束在真空中传输的光强表达式。用matlab 对不同传输距离处的光强进行仿真。 三、理论推导部分 第一大题 （1）十条近轴光线透过透镜时，理想情况下光线汇聚透镜的焦点上，焦点到像方主平面的距离为途径的焦距F ，但由于透镜的折射率和厚度会影响光在传输过程中所走的路径（即光程差Δ）。在用MATLAB 仿真以前先计算平行光线的传输路径。，R 为透镜凸面的曲率半径，h 为入射光线的高度，θ1为入射光线与出射面法线的夹角，θ2为出射光线与法线的夹角，n 为透镜材料的折射率。设透镜的中心厚度为d ，则入射光线经过透镜的实际厚度为：L=(R-d) 光线的入射角为：sinq1=h/R 折射角度满足：sinq2=nsinq1 而实际的光束偏折角度为：θ2-θ1。 由此可以看出，当平行光线照射透镜时，在凸面之前光线平行于光轴，在凸面之后发生了偏折，于光轴交汇一点，这一点成为焦点f ，折线的斜率为（-tan(θ2-θ1)）。 （2）根据题意可得，本题所讨论的是与光轴夹角不同的三条光线，经过透镜的两次反射后的成像问题。利用转面公式计算。
控制系统仿真课程设计
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
计算机模拟在数学建模中的应用
第22卷第1期海南大学学报自然科学版Vol . 22 No . 1 2004 年 3 月NATURAL SCIENCE JO URNAL OF HAINAN UNIVERSITY Mar . 2004 文章编号:1004 - 1729 (2004) 01 - 0089 - 07 计算机模拟在数学建模中的应用 欧宜贵,李志林,洪世煌 (海南大学信息科学技术学院 , 海南海口 570228) 摘要:阐述了计算机模拟在数学建模中的作用,给出了蒙特卡洛方法和离散系统模拟方法实 现的具体过程,并通过具体的实例分析,说明计算机模拟方法在数学建模中的有效性. 关键词:计算机模拟;数学建模;蒙特卡洛方法;离散系统; Matlab 6. 0 中图分类号: O 141文献标识码: A 1概述 计算机科学技术的迅猛发展,给许多学科带来了巨大的影响.计算机不但使问题的求解变 得更加方便、快捷和精确,而且使得解决实际问题的领域更加广泛.计算机适合于解决那些规模大、难以解析化以及不确定的数学模型.例如对于一些带随机因素的复杂系统,用分析方法建模 常常需要作许多简化假设,与面临的实际问题可能相差甚远,以致解答根本无法应用,这时模拟几乎成为人们的唯一的选择.在历届的美国和中国大学生的数学建模(MCM)中,学生们经常用到计算机模拟方法去求解、检验等.计算机模拟(computer simulation)是建模过程中较为重要的一 类方法(见文献[ 1 ]) . 所谓计算机模拟,就是用计算机程序在计算机 上模仿各种实际系统的运行过程,并通过计算了解 系统随时间变化的行为或特性.它是在已经建立起 的数学、逻辑模型之上,通过计算机实验,对一个 系统按照一定的决策原则或作业规则,由一个状 态变换为另一个状态的行为进行描述和分析. 计算机模拟实质上是计算机建模,而计算机模 型就是计算机方法和理论(如程序、流程图、算法 等) ,它是架于计算机理论和实际问题之间的桥梁. 它与数学建模的关系如图 1 : 一般说来,在下列情况中,计算机模拟能有效 地解决问题.图1计算机模拟流程图 1) 难于用数学公式表示的系统 ,或者没有建立和求解数学模型的有效方法; 收稿日期: 2003 - 09 - 02
基于Simulink仿真双闭环系统综合课程设计报告书
课程设计 双闭环直流调速系统设计及仿真验证 学院年级：工程学院08级 组长：陈春明学号200830460102 08自动化1班成员一：陈木生学号 200830460103 08自动化1班 指导老师： 日期： 2012-2-28 华南农业大学工程学院
摘要 转速、电流双闭环调速系统是应用最广的直流调速系统，由于其静态性能良好，动态响应快，抗干扰能力强，因而在工程设计中被广泛地采用。现在直流调速理论发展得比较成熟，但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度。 Matlab是一高性能的技术计算语言，具有强大的科学数据可视化能力，其中Simulink具有模块组态简单、性能分析直观的优点，方便了系统的动态模型分析。应用Simulink来研究双闭环调速系统，可以清楚地观察每个时刻的响应曲线，所以可以通过调整系统的参数来得出较为满意的波形，即良好的性能指标，这给分析双闭环调速系统的动态模型带来很大的方便。 本研究采用工程设计方法，并利用Matlab协助分析双闭环调速系统，依据自动控制系统快、准、稳的设计要求，重点分析系统的起动过程。 关键词：双闭环直流调速 Simulink 自动控制
目录 1、直流电机双闭环调速系统的结构分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.1 双闭环调速系统的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2 双闭环调速系统的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2 、建立直流电机双闭环调速系统的模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.1 小型直流调速系统的指标及参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.2 电流环设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.3 转速环设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3、直流电动机双闭环调速系统的MATLAB仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1 系统框图的搭建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.2 PI控制器参数的设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.3 仿真结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4、结论与总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5、参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
控制系统设计与仿真实验报告
阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 控制系统设计与仿真上机实验报告 学院：自动化学院 班级：自动化 姓名： 学号： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 一、第一次上机任务 1、熟悉matlab软件的运行环境，包括命令窗体，workspace等，熟悉绘图命令。 2、采用四阶龙格库塔法求如下二阶系统的在幅值为1脉宽为1刺激
下响应的数值解。 2?，??n10?0.5,??(s)G n22?????2ss nn3、采用四阶龙格库塔法求高阶系统阶单位跃响应曲线的数值解。 2?，，??5T?n100.5,???Gs)( n22???1)?s(?2s)(Ts?nn4、自学OED45指令用法，并求解题2中二阶系统的单位阶跃响应。 程序代码如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
;曲线如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 二、第二次上机任务 试用simulink方法解微分方程，并封装模块，输出为。得到各、1x i 状态变量的时间序列，以及相平面上的吸引子。 ?x?x??xx?3121? ??xx?x???322 ??xx?xx??x??32321参数入口为的值以及的初值。（其中，以及??????x28?10,?8/,,3,?i1模块输入是输出量的微分。）初值分别为提示：0.001xxx?0,?0,?312s:Simulink
计算机模拟控制系统 建模设计
1绪论 1.1计算机控制系统 计算机控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域得到了成功的应用。随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的要求。现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而计算机技术的发展为新型控制方法的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。进而计算机控制系统广泛的应用于工厂生产，逐渐融入于生产中，各类大型工厂均离不开计算机控制系统。 1.1.1系统的分类 按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不确定系统。 1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。今后我们所讨论的系统主要以线性定常连续系统为主。 2、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。这类系统用差分方程来描述。 3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。 1.1.2系统的数学模型 在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。 1.2计算机模拟控制系统 模拟控制系统由给定输入、模糊控制器、控制对象、检测变送装置、反馈信号与给定输入的相加环节等组成。模拟控制系统的各处均为连续信号，在模拟系统中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行调节计算，产生控制信号驱动执行机构，从而被控参数的值达到预期值。其典型结构如下图所示：
MATLAB仿真课程设计报告
北华大学 《MATLAB仿真》课程设计 姓名： 班级学号： 实习日期： 辅导教师：
前言 科学技术的发展使的各种系统的建模与仿真变得日益复杂起来。如何快速有效的构建系统并进行系统仿真，已经成为各领域学者急需解决的核心问题。特别是近几十年来随着计算机技术的迅猛发展，数字仿真技术在各个领域都得到了广泛的应用与发展。而MATLAB作为当前国际控制界最流行的面向工程和科学计算的高级语言，能够设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序，而且编程效率和计算效率极高。MATLAB环境下的Simulink是当前众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一个系统建模、仿真和分析的动态仿真环境集成工具箱，并且在各个领域都得到了广泛的应用。 本次课程设计主要是对磁盘驱动读取系统校正部分的设计，运用自动控制理论中的分析方法，利用MATLAB对未校正的系统进行时域和频域的分析，分析各项指标是否符合设计目标,若有不符合的，根据自动控制理论中的校正方法，对系统进行校正，直到校正后系统满足设计目标为止。我组课程设计题目磁盘驱动读取系统的开环传递函数为是设计一个校正装置，使校正后系统的动态过程超调量δ%≤7%，调节时间ts≤1s。 电锅炉的温度控制系统由于存在非线性、滞后性以及时变性等特点,常规的PID控制器很难达到较好的控制效果。考虑到模糊控制能对复杂的非线性、时变系统进行很好的控制, 但无法消除静态误差的特点, 本设计将模糊控制和常规的PI D控制相结合, 提出一种模糊自适应PID控制器的新方法。并对电锅炉温度控制系统进行了抗扰动的仿真试验, 结果表明, 和常规的PI D控制器及模糊PI D复合控制器相比,模糊自适应PI D控制改善了系统的动态性能和鲁棒性, 达到了较好的控制效果。
复杂系统建模与分析
复杂系统建模与分析 课程内容 1．绪论：系统与模型、概念模型、数学模型、复杂系统、应用示例。 2．概念建模方法：现状、概念建模过程、概念建模方法、概念建模语言。 3．系统的数学描述：系统的抽象化与形式化、确定性数学模型、随机性数学模型。 4．连续系统建模方法：微分方程、状态空间、变分原理。 5．离散事件系统的建模方法：随机数产生与性能检测、实体流图法、活动周期法、Petri网法。。 6．随机变量模型的建模方法：分布类型假设、分布参数估计、分布假设检验。 7．基于系统辨识的建模方法：概述、模型参数的辨识方法、模型阶次的辨识方法。 8．复杂系统的建模方法：神经网络的建模方法、灰色系统的建模方法、基于Agent的行为建模方法。 9．复杂系统的计算机仿真建模方法：概述、基本概念、一般步骤与仿真钟推进、仿真语言介绍（Witness、E-Mplant）、复杂物流系统仿真应用。 参考教材： [1] 系统建模. 郭齐胜等编，国防工业出版社，2006 [2] 复杂系统的分析与建模. 王安麟编，上海交通大学出版社，2004 [3] 复杂系统建模理论与方法. 陈森发编，东南大学出版社，2005 [4] 离散事件动态系统. 郑大钟，清华大学出版社2001年 1．绪论 1．1 系统与模型 1．1．1 系统 系统：按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总体。 可以将港口码头定义为一个系统。该系统中的实体有船舶和码头装卸设备。船舶按某种规律到达，装卸设备按一定的程序为其服务，装卸完后船舶离去。船舶到达模式影响着装卸设备的工作忙闲状态和港口的排队状态，而装卸设备的多少和工作效率也影响着船舶接受服务的质量。 系统有三个要素，即实体、属性、活动。实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界，属性也称为描述变量，描述每一实体的特征。活动定义了系统内部实体之间的相互作用，反映了系统内部发生变化的过程。 状态：在任意时刻，系统中实体、属性、活动的信息总和。
仿真课设报告
仿真课程设计报告 题目: 柔性生产线仿真案例 班级:物流 姓名: 学号: 指导教师: 2015年9月23日
目录 一、课程设计目的 (3) 二、课程设计内容 (3) 三、设计步骤 (3) 3.1案例分析 (3) 3.1.1案例说明 (3) 3.1.2建模步骤 (5) 3.1.3主要技术设计 (5) 3.2模型搭建 (6) 3.2.1基础空间总体布局 (6) 3.2.2Track设计 (6) 3.2.3加工设备的设计 (7) 3.2.4工件和AGV的属性设计 (9) 3.2.5表的设计 (10) 3.2.6工件生成器和消灭器的设计 (12) 3.2.7Method和Variable的设计 (12) 3.3仿真实现 (13) 3.3.1工件加工流程及时间设计 (13) 3.3.2任务队列设计 (13) 3.3.3小车的运行规则设计 (14) 3.3.4其它控制方法 (17) 四、仿真分析 (20) 4.1设备利用率 (20) 4.2轨道利用率 (21) 4.3加工总时间 (22) 五、模型优化 (22) 5.1订单投产优化 (22) 5.2小车优化 (23) 5.3其它优化 (26) 六、课设总结 (29)
一、课程设计目的 本课程设计是与物流工程专业教学配套的实践环节之一，结合《现代生产管理》、《设施布置与规划》、《离散系统建模与仿真》等课程的具体教学知识点开展。在完成以上课堂教学的基础上，进行一次全面的实操性锻炼。设计采用企业的实际案例数据，要求完成生产线物流仿真建模和生产线物流优化方案设计两大方面的实际设计内容。 通过本环节的设计锻炼，我们可以加深对本课程理论与方法的掌握，同时具备分析和解决生产运作系统问题的能力，改变传统的理论教学与生产实际脱节的现象。 二、课程设计内容 以某企业柔性制造系统（FMS）为对象，按该企业的生产实际资料为设计依据。对该柔性制造系统进行建模和仿真，通过模拟该制造系统的物流状况，寻找优化的物流方案进行产能平衡，并针对优化后的方案再次进行仿真，对比两个仿真结果在交货期要求，设备利用率等方面的不同，并制定该柔性制造系统生产作业计划。 三、设计步骤 3.1案例分析 3.1.1案例说明 1．柔性制造系统状况： 某企业柔性制造系统共有5台加工中心，定义加工中心名称分别为CNC_1、CNC_2、CNC_3、CNC_4、CNC_5。该制造系统内有一辆AGV小车，运行速度为1米/秒，可控制其实现不同的运送策略。每台设备入口和出口前有容量为4的缓冲，工件在由设备完成加工前后必须经过入口缓冲和出口缓冲，每台设备由一工人负
MATLAB控制系统与仿真设计
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid
计算机模拟仿真实例
模拟仿真过程（400mm正方形钢板厚度为1mm中心有15半径为 1mm的圆形孔）。 （一）采用Delauney三角形网格划分建模 1.首先在软件中打开几何分网选项添加点（四点坐标分别为0 0 0,10 0 0,10 10 0,0 10 0），再添加 圆弧，以第一个点为圆心作出半径为1mm的四分之一圆，用直线连接点形成封闭图形。 2.选择自动分网预处理中的曲线布种子点，将分段数改为10并选择直线，再将分段数改为20并 选择圆弧。 3.打开自动分网中的平面实体，选择Delauney三角形网格划分并全选图形。 4.打开几何特性菜单栏，点击新建结构分析，在弹出的菜单中选择平面实体中的平面应力，输入厚 度参数（本例中为1），并在对象一栏中，点击添加单元并全选。 5.打开材料特性—新建—标准，填写泊松比、杨氏模量等参数。 6.打开边界条件—位移约束—x向位移，输入0并选择左侧一栏的单元。 7.重复操作使下方一栏的单元位移为0。 8.打开边界条件—单元边受力，选择上方一栏的单元边，输入压力为-10N，完成建模。 （二）采用前沿法网格划分建模 1.首先在软件中打开几何分网选项添加点（四点坐标分别为0 0 0,10 0 0,10 10 0,0 10 0），再添加 圆弧，以第一个点为圆心作出半径为1mm的四分之一圆，用直线连接点形成封闭图形。 2.选择自动分网预处理中的曲线布种子点，将分段数改为10并选择直线，再将分段数改为20并 选择圆弧。 3.打开自动分网中的平面实体，选择前沿法三角形网格划分并全选图形。 4.打开几何特性菜单栏，点击新建结构分析，在弹出的菜单中选择平面实体中的平面应力，输入厚 度参数（本例中为1），并在对象一栏中，点击添加单元并全选。 5.打开材料特性—新建—标准，填写泊松比、杨氏模量等参数。 6.打开边界条件—位移约束—x向位移，输入0并选择左侧一栏的单元。 7.重复操作使下方一栏的单元位移为0。 8.打开边界条件—单元边受力，选择上方一栏的单元边，输入压力为-10N，完成建模。
工业工程系统建模与仿真期末复习
工业工程系统建模与仿真期末复习
第一章绪论 1、系统是指相互联系又相互作用者的对象的 有机组合。系统包括工程系统和非工程系 统，自然系统和人工系统，也可分为复杂系 统和简单系统、中小系统和大系统。 2、系统具给定的边界、输入和输出，其三要素 为：实体、属性、活动。 3、模型是实际系统本质的抽象和简化。分为： 物理模型和数学模型。 4、建模：为了达到系统研究的目的，用于收集 和描述系统有关信息的实体。 5、仿真的意义：系统是研究对象，建模是系统 特性的描述，仿真则包含建立模型及对模型 进行实验两个。 6、根据模型类型，系统仿真分为物理仿真、数 学~和物理—数学~。 7、系统仿真的步骤及基本功能：1）调研系统， 明确问题；2）设立目标，制定计划；3）建 立系统数学模型；4）模型校核、验证及确 认；5）数据采集；6）数学模型与仿真模型 的转换；7）仿真实验设计；8）编制程序， 仿真实验，运行模型，计算结果；9）数据
处理，统计分析；10）优化与决策。 8、仿真技术的分类。按什么分，按什么分…… 9、仿真技术不足：建模方法尚不完善，须通过 建模和仿真人员分析。 10、发展趋势：一体化建模与仿真环境。 11、研究热点：面向对象仿真、定性仿真、智能 仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体 仿真、虚拟现实仿真、internet网上仿真。 12、系统辨识：在对被识系统进行输入和输出观 测的基础上，从设定的一类系统中确定出一 个与被识系统等价的系统。（两种方式：在 线辨识和离线辨识） 13、系统辨识过程要解决：模型框架、模型结构、 模型参数。系 14、互逆的技术手段：系统辨识与系统分析。 15、系统分析：通过一系列步骤，帮助决策者选 择决策方案的一种系统方法。（五大要素： 目标、替代方案、费用、模型和准则） 第二章 1、系统模型分类：1）按照变量情况：确定型模型、随机型模型；2）按数学方法：初等模型、微分方程模型、优化模型、控制模型；3）按实
Matlab与通信仿真课程设计报告材料
《MATLAB与通信仿真》课程设计指导老师: 水英、汪泓 班级:07通信(1)班 学号:E07680104 :林哲妮
目录 目的和要求 (1) 实验环境 (1) 具体容及要求 (1) 实验容 题目一 (4) 题目容 流程图 程序代码 仿真框图 各个参数设置 结果运行 结果分析 题目二 (8) 题目容 流程图 程序代码 仿真框图 各个参数设置 结果运行 结果分析 题目三 (17) 题目容 流程图 程序代码 仿真框图 各个参数设置 结果运行 结果分析 题目四 (33) 题目容 流程图 程序代码 仿真框图 各个参数设置 结果运行 结果分析 心得与体会 (52)
目的和要求 通过课程设计，巩固本学期相关课程MATLAB与通信仿真所学知识的理解，增强动手能力和通信系统仿真的技能。在强调基本原理的同时，更突出设计过程的锻炼。强化学生的实践创新能力和独立进行科研工作的能力。 要求学生在熟练掌握MATLAB和simulink仿真使用的基础上，学会通信仿真系统的基本设计与调试。并结合通信原理的知识，对通信仿真系统进行性能分析。 实验环境 PC机、Matlab/Simulink 具体容及要求 基于MATLAB编程语言和SIMULINK通信模块库，研究如下问题： (1)研究BFSK在加性高斯白噪声信道下（无突发干扰）的误码率性能与信噪比之间的关系； (2)研究BFSK在加性高斯白噪声信道下（有突发干扰）的误码率性能与信噪比之间的关系； 分析突发干扰的持续时间对误码率性能的影响。 (3)研究BFSK+信道编码（取BCH码和汉明码）在加性高斯白噪声信道下（无突发干扰） 的误码率性能与信噪比之间的关系；分析不同码率对误码率性能的影响。比较不同信道编码方式的编码增益性能。 (4)研究BFSK+信道编码（取BCH码和汉明码）在加性高斯白噪声信道下（有突发干扰） 的误码率性能与信噪比之间的关系；分析突发干扰的持续时间对误码率性能的影响。分析不同码率对误码率性能的影响。比较不同信道编码方式的编码增益性能。
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。