《MATLAB论文基于MATLAB的自动控制系统及案例分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MATLAB论文基于MATLAB的自动控制系统及案例分析（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 word 教育资料 MATLABMATLAB 论论 文文 基于 MATLAB 的自动控制系统及案例分析 姓 名 学 号 指导老师 物理与电子工程学院 word 教育资料 word 教育资料 基于基于 MATLABMATLAB 的自动控制系统及案例分析的自动控制系统及案例分析 引言引言 摘要 摘要 MATLAB 是一种数值计算型科技应用软件 其全称是 Matrix Laboratory 也即矩阵实 验室 MATLAB 具有编程直观简单 用户界面友善 开放性强等优点 因此自面世以来 在国际上很快得到推广和应用 MATLAB 具有强大的数值计算与符号计算功能 以及强大的数据可视化 人机智能交 互能
2、力 其发展不断推陈出新 现今的 MATLAB 拥有更丰富的数据类型和结构 更友善的 面向对象 更加快速精美的图形可视 更广泛的数学和数据分析资源 更多的应用开发 工具 这里主要介绍 MATLAB 在控制器设计 仿真和分析方面的功能 即 MATLAB 的控制工 具箱 目前 MATLAB 软件已经成为控制领域最流行的设计和计算的工具之一 本文将主要 介绍运用 MATLAB 进行控制系统分析与设计的全过程 并结合具体实例深入探讨 1 关键词 关键词 MATLAB 自动控制系统 时域 频域 word 教育资料 IntroductionIntroduction AbstractAbstract MATL
3、AB is a numerical computing technology application software and its full name is Matrix Laboratory which is called the matrix laboratory MATLAB has many advantages such as simple programming simple interface friendly user interface and strong openness so it has been popularized and applied quickly i
4、n the world since it came out MATLAB has powerful functions of numerical calculation and symbolic computation as well as powerful data visualization and human computer intelligent interactive ability and its development is constantly bringing forth new ideas Today s MATLAB has a richer data type and
5、 structure a more friendly object oriented faster more beautiful graphics visualization a wider range of mathematical and data analysis resources and more application development tools This article mainly introduces the function of MATLAB in controller design simulation and analysis that is MATLAB c
6、ontrol toolbox At present MATLAB software has become one of the most popular design and calculation tools in the field of control This paper mainly introduces the whole process of the analysis and design of the control system by using MATLAB KeyKey words words MATLAB Automatic control system Time do
7、main Frequency domain word 教育资料 目目 录录 一一 绪论绪论 1 1 1 11 1 MATLABMATLAB 基础介绍基础介绍 1 1 1 21 2 研究内容研究内容 1 1 二二 自动控制系统基础自动控制系统基础 2 2 2 12 1 自动控制系统的概述自动控制系统的概述 2 2 2 22 2 开环 闭环控制系统开环 闭环控制系统 2 2 2 32 3 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 3 3 三三 自动控制系统的时域分析自动控制系统的时域分析 4 4 3 13 1 时域分析简介时域分析简介 4 4 3 23 2 动态过程与动态性能动态过程与动态性能 4 4
8、 3 33 3 稳态过程与稳态性能稳态过程与稳态性能 5 5 3 43 4 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 5 5 3 53 5 时域分析法的时域分析法的 MATLABMATLAB 实现实现 6 6 3 5 13 5 1 控制系统的动态性能分析控制系统的动态性能分析 6 6 3 5 23 5 2 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析 7 7 四四 自动控制系统的频域分析自动控制系统的频域分析 8 8 4 14 1 频域分析法简介频域分析法简介 8 8 4 24 2 有关频率分析法的几个概念有关频率分析法的几个概念 8 8 4 34 3 频率特性的性能指标频率特性的性能指标 9 9 wor
9、d 教育资料 4 44 4 频域分析法的频域分析法的 MATLABMATLAB 实现实现 1010 4 4 14 4 1 B BODEODE图的绘制图的绘制 1010 4 4 24 4 2 B BODEODE图分析控制系统的稳定性图分析控制系统的稳定性 1111 五五 总结总结 1313 参考文献参考文献 1414 word 教育资料 一一 绪论绪论 1 11 1 MATLABMATLAB 基础介绍基础介绍 MATLAB 程序设计语言是 MathWorks 公司于 20 世纪 80 年代推出的高性能的数值矩阵 计算软件 其功能强大 适用范围广泛 提供了丰富的库函数 编程简单 易懂 效率 高 M
10、ATLAB 无论作为科学研究与工程运算的工具 还是作为控制系统方阵的教学工具 都是必不可少的 目前 MATLAB 已经成为国际学术界公认的最流行的科学计算软件 MATLAB 主要由以下三个部分组成 下面分别加以介绍 2 1 MATLAB 图形处理系统 这是 MATLAB 图形系统的基础 它包括生成二维数据和三维数据可视化 图像处理 动画及演示图形和创建完整的图形用户接口的命令 2 MATLAB 数学函数库 MATLAB 提供了非常丰富的数学计算函数 可以进行简单和复杂的数学计算 比如矩 阵求逆 级数求和 贝塞尔函数和快速傅里叶变换等 3 MATLAB 应用程序接口 MATLAB 用户能够在 M
11、ATLAB 环境中使用其它程序 也可以从 MATLAB 中调用其它程序 1 21 2 研究内容研究内容 1 熟悉自动控制系统理论和 MATLAB 软件 2 了解 MATLAB 软件的编程思路与方法 3 完成使用 MATLAB 软件对自动控制系统进行时域 频域分析与仿真和线性系统状 态空间分析的方法 编写相关程序 4 对仿真结果进行分析 评价控制系统的性能 word 教育资料 二二 自动控制系统基础自动控制系统基础 2 12 1 自动控制系统的自动控制系统的概述概述 在现代社会生产过程中 为了提高产品的质量 需要对生产设备和生产过程进行自 动控制 使被控的量按照期望的规律去变化 这些被控制的设备
12、称为控制对象 被控制 的量称为被控量或输出量 生产设备或生产过程中 一般只考虑对输出量影响最大的物理量 这些量称为输入 量 输入量可以分为两种类型 一种保证对象的行为达到所要求的目标 这类输入量称为 控制量 另一种是妨碍对象的行为达到目标 这一类输入量称为扰动量 自动控制系统是在无人直接参与的情况下 可使生产过程按照期望的运行规律去运 行的控制系统 系统是完成要求和任务的部分的组合 2 2 22 2 开环 闭环控制系统开环 闭环控制系统 如果控制系统的输出量对系统运行过程或结果没有控制作用 这种系统称为开环控 制系统 图 2 1 表示了开环控制系统输入量与输出量之间的关系 图 2 1 开环控制
13、系统示意图 这里 输入量直接作用于控制对象 不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比 较 所以只有输入量影响输出量 当出现扰动时 若没有人的干预 输出量将不能按照 输入量所希望的状态工作 word 教育资料 闭环控制系统是把输出量检测出来 再反馈到输入端与输入量进行相减或者相加 利用比较后的偏差信号 经过控制器对控制对象进行控制的系统 图 2 2 表示了闭环控 制系统输入量 输出量和反馈量之间的关系 图 2 2 闭环控制系统示意图 这种系统把输出量经检查后 变成输入量相同的物理量反馈到输入端形成闭环 参 与系统的控制 所以称为闭环控制系统 由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的 所以也称为反
14、馈系统或偏差控制系统 2 32 3 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 在控制过程中 当扰动量发生变化时 通过反馈控制的作用 经过短暂的过渡过程 被控量又恢复到原来的稳定值 或按照新的给定量稳定下来 这时系统从原来的平衡状 态过渡到新的平衡状态 我们把被控量处于变化的状态称为动态或暂态 而把被控量在 相对稳定的状态称为静态或稳态 对控制系统性能有三个方面的要求 3 1 稳定性 稳定性定义为系统受到外扰或内扰作用以后 恢复原来状态或形成新的平衡状态的 能力 稳定是系统正常工作的首要条件 word 教育资料 2 快速性 自动控制系统不仅要满足动态性能的要求 还应能满足暂态性能的要求 为了满足 生
15、产过程中的要求 往往要求系统暂态过程不但是稳定的 而且进行得越快越好 振荡 程度越小越好 3 准确性 稳态误差是指系统达到稳定时 输出量的实际值和期望值之间的误差 这一性能反 映了稳定时系统的控制精度 稳态误差越小 系统性能越好 给定稳态误差是在参考输入信号的作用下 当系统达到稳定后 其稳态输出与参考 输入所要求的期望输出之差 三三 自动控制系统的时域分析自动控制系统的时域分析 3 13 1 时域分析简时域分析简介介 时域分析法是根据微分方程 利用拉氏变换直接求出系统的时间响应 然后按照响 应曲线来分析系统的性能 是一种直接在时域中对系统进行分析的方法 具有直观和准 确的优点 控制系统时域分析
16、法最常用的方法有两种 一是当输入为单位阶跃信号时 求出系统的响应 二是当输入为单位冲激信号时 求出系统的响应 3 3 23 2 动态过程与动态性能动态过程与动态性能 动态过程又称为过渡过程或瞬态过程 是指系统在典型输入信号作用下 其输出量 从初始状态到最终状态的响应过程 通常 在单位阶跃信号作用下 稳定系统的动态过 程随时间 t 变化的指标称为动态性能指标 控制系统的动态性能指标一般有以下几个 1 上升时间 r t 系统响应从零首次上升到稳态值 h 所需的时间定义为上升时间 2 延时时间 d t 从输入信号开始施加时起 系统输出时间响应第一次达到稳态值 50 所需要的时间定 义为延时时间 3 峰值时间 p t word 教育资料 系统响应超过其终值达到第一个峰值所需要的时间定义为峰值时间 它反映了系统 对输入信号反应的快速性 值越小 系统对输入信号反映越快 4 调整时间 s t 响应达到并保持在终值 2 或 5 误差内所需要的最短时间定义为调节时间 在默认 情况下 MATLAB 计算动态性能时 取误差范围为 2 它反应了动态过程进行得快慢 是 系统快速性指标 值越小 系统的快速性就越好
