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1、PINGDINGSHANUNIVERSITY毕业设计 MATLAB在自动控制理论题 目:实验中的应用毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要
2、求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：原 创 性 声 明本人重声明：本人所呈交的毕业设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者
3、签名： 日 期：关于毕业设计使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文与相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属学院。本人完全了解学院有关保存、使用毕业设计的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权学院可以将本毕业论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署位为学院。本人离校后使用毕业设计或与该设计直接相关的学术论文或成果时，第一署位仍然为学院。论文作者签名： 日 期：指导老师签名： 日 期： /
4、 MATLAB在自动控制理论实验中的应用摘 要针对传统在模拟机上进行的自动控制理论实验的缺点，提出了将MATLAB尤其是Simulink与模拟实验互相结合起来的方法。详细介绍了电气类专业自动控制理论实验所涉与的主要容。实际应用结果表明，通过仿真与模拟实验结果的对比分析，不仅可以让学生发现模拟实验中存在的错误，锻炼学生分析、解决问题的能力，而且增强了学生的学习兴趣，并为以后从事相关研究工作打下了基础。关键词：MATLAB；自动控制理论；电气；实验Application of MATLAB in Automatic Control Theory ExperimentAbstractFor the
5、drawbacks of traditional automatic control theory experiment conducted in analog devices,the method which MATLAB,especially Simulink should be combined with analog experiment mutually,is proposed in this paper,The main contents involved in automatic control theory experiment of electric engineering
6、major are introduced in details.Actual application results demonstrate that existing mistakes in analog experiment can not only be found by students,and the ability to analyze and solve problems is developed,but also learning interests are enhanced,and the foundations after relevant research works a
7、re laid also by means of the contrast analysis of simulation and analog experiment results. Key words: TLAB;automaticcontrol theory;electric engineering;experiments目录1绪论11.1 本课题的研究背景、目的11.2 本课题的国外研究现状11.3 本课题的研究意义22 MATLAB在自动控制实验中的应用举例22.1 MATLAB中传递函数的表示与计算22.1.1传递函数的多项式表示32.1.2传递函数的零、极点表示42.1.3结构图的
8、化简52.2控制系统时域分析应用举例62.2.1绘制响应曲线62.2.2用Simulink进行时域响应分析82.3控制系统根轨迹分析应用举例112.3.1利用根轨迹法确定多项式的根112.3.2利用MATLAB绘制根轨迹图142.4控制系统频域分析应用举例192.4.1 MATLAB中bode图的绘制192.4.2MATLAB中Nyquist曲线的绘制212.4.3 MATLAB频域特性分析223 结论24参考文献25致261绪论1.1 本课题的研究背景、目的MATLAB是美国MathWorks公司开发的科学与工程计算软件。在欧美大学里，诸如自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、动态系统仿真
9、等实验都应用到MATLAB。MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博土生必须掌握的基本工具。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认作进行高效研究和开发的首选软件工具1。尤为重要的是，MATLAB中提供了可视化动态仿真环境Simulink，可实现动态系统的直观建模、仿真与分析，并支持连续、离散与两者混合的线性和非线性系统，因此使一个复杂系统的输入和仿真变得相当简单。电气工程自动化专业的学生虽然学习过MATLAB语言，但不等于就掌握了MATLAB工具对控制系统进行分析的方法，而且这门课未曾涉与Simulink的容讲述。对此，我们尝试在自动控制理论实验中引入MATLAB，尤其是Simulink
10、，从而将软件仿真与模拟实验有机地结合起来，这样可以优势互补，通过理论仿真与模拟实验的结果进行对比分析，不仅能让学生发现模拟实验中的问题，而且可以锻炼学生的动手能力，也能让学生掌握MATLAB在控制系统仿真中的运用，增强学生的学习兴趣，并为以后从事相关研究工作打下基础。1.2 本课题的国外研究现状目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。国外很重视利用MATLAB研究和开发自动控制类课程的实验教学软件。国际控制界的许多专家已经开发了大量基于MATLAB的控制软件，我国很多高校和研究部门也正在研制此软件，但是国尚未见有关产品的报道。本课
11、题的研究将对各高校自动控制理论实的改进起到积极的促进作用2。1.3 本课题的研究意义自动控制理论实验主要特点是理论性强，计算量大和图形多而复杂。传统的自动控制原理实验在某些教学仪器厂生产的控制实验装置上完成。其部用运算放大器、电阻、电容等模拟器件构成了比例、积分、一阶惯性等典型环节。实验时把系统分解成各典型环节的串联形式，然后在模拟装置上把表示相应典型环节的模块连接起来，通过示波器观察系统的响应和各项动态指标。这样的实验方式，虽然在培养学生动手能力、加深对课堂学习容的印象等方面有一定的作用但存在两个局限：( 1 ) 实验设备高度集成，扩展性能差由于实验装置的各典型环节已经集成，可改参数有限，使
12、得实验以验证性为主，而且操作复杂。比如观察一个二阶系统在不同阻尼系数下的阶跃响应和动态指标，首先要把系统分解成典型环节的串联形式，然后加上阶跃输入信号后在示波器上观察响应和各项指标，操作起来十分不便。( 2 ) 绘图、计算复杂，自动控制原理是自动控制专业的一门比较抽象的理论课程。由于控制系统分析往往涉与到各种分析方法的绘图和复杂的计算，自动控制理论实验中的部分实验在模拟机上难以开展，如涉与线性系统根轨迹的绘制、奈氏图和波特图的绘制等需要学生花很多的时间和精力在绘图和计算上，影响到对控制系统分析原理的掌握。这种实验方式不仅未能发挥实验在教学环节中的作用，而且成了制约“自动控制理论”教学的瓶颈。本
13、文针对这种情况，以前我们用TURBOC自己开发的一个软件来完成相关实验，但存在交互性差、功能固定、使用不便等缺点。因此，如果能够在MATLAB中的Simulink环境下对控制系统进行仿真并对结果进行图形化分析，将会极方便有关实验容的完成3 4 5。2 MATLAB在自动控制实验中的应用举例2.1 MATLAB中传递函数的表示与计算分析和设计任何一个控制系统，首要任务是建立系统的数学模型。传递函数是控制系统的一种数学模型，它是在用拉普拉斯变换法求解微分方程的过程中引出来的，不但能反映系统的输入输出动态特性，还能间接地反映结构、参数变化对系统的影响。采用传统手段，比如等效变换结构图，Mason公式
14、法等求系统传递函数，分析过程复杂，容易出错，而运用MATLAB语言编制程序，可以很方便地求出系统的传递函数。传递函数是线性控制系统中最常用的数学模型，MATLAB提供了传递函数的多项式表示方式和零极点表示方式，他们之间的表示方法，他们之间的转换方法以与串联并联与反馈连接的系统传递函数计算方法6。2.1.1传递函数的多项式表示单输入单输出线性连续系统的传递函数有三种表示方式：多项式表示，零、极点表示形式和时间常数表示形式，后两种都可以看做是多项式乘积的形式，下面我们来举例说明MATLAB的处理方法。1 多项式的向量表示MATLAB中多项式用行向量表示，行向量元素依次为降幂排列的多项式各项的系数。
15、例2-1：多项式P= 表示为 P=1 ,3 ,0 ,2 ,52 多项式乘法MATLAB中多项式乘法处理函数调用格式为 C=conv（A,B）例2-2：给定两个多项式A(s)=s+3和B(s)=10s+20s+3，求C(s)=A(s)B(s)，则应先构造多项式A(s)和B(s)，然后再调用conv()函数来求C(S)。A=1,3 B=10,20,3; C=conv（A,B）Conv()函数的调用又允许多级嵌套。例2-3：G(s)=4(s+2)(s+3)(s+4)可由下面语句来表示：G=4*conv（1,2,conv(1,3,1,4)）3 建立连续系统的多项式传递函数Sys=tf(num,den)例2-4：num=3 ,2 ,8Den=1 ,3 ,8 ,4 ,2 ;G=tf(num,den)运行结果：2.1.2传递函数的零、极点表示1 传递函数的零、极点表示 MATLAB中用行向量Z表示传递函数的零点，用行向量P表示传递函数的极点，用标量K表示传递函数的增益，Z、P和K
