计算机仿真大作业.pdf

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1、计算机仿真大作业计算机仿真大作业摘要：摘要：本次计算机仿真大作业主要是利用 matlab 进行操作的。内容主要涉及对Matlab 程序的基本操作（文件的写入和读出），函数式的表达，波形的绘制，应用 Simulink 建立子系统并对子系统进行封装，以及对 PID 控制器的参数进行整定这三个方面。PID 的参数整定要用到 Simulink 建立系统，并且要设计 M 文件，采用编程法求取系统阶跃响应的性能指标。关键字：关键字：PID 整定法Simulink子系统封装M 文件目录目录摘要.-1 1-一、基本操作.-3 3-1.写文件操作.-3-3-2读文件数据并画图操作.-3-3-3构造新函数并绘图操

2、作.-4-4-4读取数据绘制传递函数波特图操作.-5-二、子系统封装.-6-6-1用 Simulink 建立系统.-7-2观察输入输出波形.-7-3数据导出.-8 8-三、PID 控制器参数整定.-9-9-1、采用工程整定法分别设置控制器参数.-10-10-1.1 建立原控制系统的 Simulink 仿真模型.-11-11-1.2 对原控制系统进行仿真.-12-12-1.3 求取系统临界稳定增益.-13-13-2、PID 控制仿真并绘图.-13-13-2.1 P 控制仿真.-14-14-2.2 PI 控制仿真.-14-14-2.3 PID 控制仿真.-15-15-3、制作 M 文件求取系统阶跃

3、响应性能指标.-15-15-四、总结.-16-16-五、参考文献.-16-16-1一、一、基本操作基本操作程序实现：1、自己定义一组数据，并将其保存到文件data.dat。要求第一列为时间t（t 为等差数列，0t200）；第二列为与 t 对应的 201 个幅值数据，作为信号 f1(t)的幅值；第三列为按 s 的降幂排列的传递函数分子系数；第四列为按 s 的降幂排列的分母系数。第三列、第四列的数据个数不能超过 5 个。MATLAB文本：a=0:1:200;b=random(Poisson,0:200,1,201);c=9 7 4 3 1;d=7 4 3 2 1;fid=fopen(d:data.

4、dat,wt);fprintf(fid,%4d,a);fprintf(fid,n);fprintf(fid,%4d,b);fprintf(fid,n);fprintf(fid,%4d,c);fprintf(fid,n);fprintf(fid,%4d,d);fclose(fid);图 1 data.dat 的读入2、读入 data.dat 数据，画出 f1(t)的时域波形。MATLAB文本：fid=fopen(d:data.dat,rt);t=fscanf(fid,%d,201);f1=fscanf(fid,%d,201);fclose(fid);plot(t,f1)2title(f1-t 曲

5、线图);xlabel(t);ylabel(f1);图 2 f1 曲线图 2*f1(t0 t 103、f)2(t)f21(t)10 t 100且 f1(t)15f1(t 3)其它求取 f2(t)，将结果保存到 result.mat 文件，画出其时域波形。MATLAB文本：for n=1:10f2(n)=2*f1(n);endfor n=11:100if abs(f1(n)num1=ctranspose(num);den1=ctranspose(den);Gs=tf(num1,den1)Gs=9 s4+7 s3+4 s2+3 s+1-7 s4+4 s3+3 s2+2 s+1Continuous-t

6、ime transfer function.bode(G)图 4 系统波特图一、一、子系统封装子系统封装程序要求：51、用 SIMULINK 建立系统：y=ax3+bx+c，x 为输入，y 为输出，a,b,c 为常数。对该系统进行封装，要求通过对话框能修改 a,b,c 的值。图 5 未封装系统图 6 封装后系统图 7 参数更改界面62、若输入 x 为幅度为 5、频率为 0.25Hz 的锯齿波，采用示波器显示输出 y 及输入 x 的波形。图 8 输入 x 波形图 9 输出 y 波形3、将输入 x、输出y，导入到工作空间，并采用plot 命令，将两个波形在同一波形窗口显示，带网格线、图例。7Mat

7、lab 文本：plot(Data1.time,Data1.signals.values)hold on plot(Data2.time,Data2.signals.values)grid图 10 导入工作空间的波形二、二、PIDPID 控制器参数整定控制器参数整定某控制系统的开环传递函数为Gn(s)程序要求：1、试采用工程整定法，设置合适的 P、PI、PID 控制器的参数。2、将仿真时间定为 300 秒，绘制整定后的系统的单位阶跃响应曲线。3、设计 M 文件，采用编程法求取系统阶跃响应性能指标：超调量、调节时间。1.1 先建立原控制系统的 SIMULINK 仿真模型10，采用单位负反馈。s3

8、s210s 18图 11 原系统仿真模型1.2 对原控制系统进行仿真输入为单位阶跃函数，得阶跃响应如图 3-2 所示，可知原控制系统是不稳定的。图 12 原系统仿真输出波形图1.3 在该控制系统中引入 PID 控制器方法一：采用工程整定法中的临界比例度法来设置合适的 P、PI、PID 控制器参数。引入 PID 控制器后的系统仿真模型如图 3-3 所示9图 13 PID 仿真模型图 14 子系统方法二：PID 控制器在 Simulink 中已经被封装，可以直接使用，只需双击控制器设置控制器参数即可(此时纯微分环节被一个滞后环节近似代替)。图 15 PID 控制10计算过程：1、首先，随意设置一个

9、增益 Kp(初始值一般为 1)并且不断加大或者减小 Kp 直到系统出现等幅震荡，可以试测出 Kp=0.9 的时候，系统恰好出现等幅震荡情况。图 16Kp=0.9 临界震荡波形求此时震荡周期：Matlab 文本：num=9;den=1 1 10 1;G1=tf(num,den);G=feedback(G1,1);step(G)图 17 matlab 仿真临界震荡波形 Tcr=2s2 根据整定法公式，计算所需参数。11图 18 经验法公式根据表 1 可以求得各个控制器的参数：P 控制：K=0.45PI 控制：K=0.405Ti=1.66PID 控制：K=0.54Ti=1Td=0.242.1 P 控

10、制仿真将 I,D 连线断开，设置 Pk 为 0.45，产生波形如下：比例控制时系统的单位阶跃响应：图 19Kp=0.45(P)波形P 值的改变只改变信号的增益而不影响其相位。从图中可以看出，经过调整 P 值参数，系统的超调量和调节时间（动态性能）有很大的提高，但是造成了一定的稳态误差（因为此时 Kp1）。2.2 PI 控制仿真比例积分控制系统的单位阶跃响应12图 20 Kp=0.405Ti=1.66(PI)波形从图中可以看出，在 P 控制的基础上加入 I 控制后，形成 PI 控制，系统稳态误差有所减少，但是超调量和调节时间有所加大，这可以看出，PI 控制适用于对系统稳态误差(稳态性能)要求精度

11、大，但是对于调节时间（动态性能）要求精度小的实际模型。2.3 将仿真时间定为 300 秒，绘制整定后的系统的单位阶跃响应曲线(PID)。比例积分微分控制下的单位阶跃响应图 21Kp=0.54Ti=1Td=0.24(PID)波形13由图形可以看出，PID 模型，无论是稳态误差（稳态性能）还是调节时间（动态性能）都有所加强，可以实现稳、准、快三大要求，因此 PID 联合控制适用于对动态性能和稳态性能都有要求的实际系统。3、设计 M 文件，采用编程法求取系统阶跃响应性能指标：超调量、调节时间。M 文件如下：numc,denc=cloop(num1,den1);G=tf(numc,denc);C=dc

12、gain(G)y,t=step(G)plot(t,y)gridY,k=max(y);timetopeak=t(k)percentovershoot=100*(Y-C)/Cn=1;while y(n)0.98*C)&(y(i)num=0.54*10;num1=num*0.24 1 1;den1=1 1 10 1 0;uu1114图 22 系统阶跃响应波形timetopeak=3.2899percentovershoot=37.2244risetime=2.3223settime=13.2563四、总结四、总结此次计算机仿真大作业，使我更加熟练地运用 matlab，特别是 simulink 模块，实践出真知，只有在实践中才能真正明白如何运用 matlab 解决实际中的问题！这次大作业让我更加透彻地理解本学期所学习的知识，不仅仅是计算机仿真，还有自动控制原理，对我以后的学习和工作有着很大的帮助。五、参考文献五、参考文献1 控制系统仿真与计算机辅助设计第二版 薛定宇 机械工业出版社 20092 自动控制原理 胡寿松 国防工业出版社 200515