1、1安徽建筑工业学院毕 业 设 计 (论 文)课 题 MATLAB 在自动控制原理中的应用 2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郑重承诺：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及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，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 及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谢意。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：
2、按照学校要求提交毕业设计（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内容。作者签名： 日 期： 3目录摘 要 .3第 1 章绪论 .411 研究目的 .412 相关研究现状 .413 研究方法 .414 本次设计的主要内容以及目前学术届近一步研究的趋势 .61. 4. 1 本次设计的主要内容 .61. 4. 2 目前学术界近一步研究的趋势 .6第 2 章开发工具 .821 MATLAB 编程语言发展历程及特点 .822 MATLAB
3、系统构成 .923 MATLAB 的 GUI 设计 .1024 本章小结 .11第 3 章控制系统性能指标及校正装置分类 .1231 控制系统的性能指标 .123. 2 控制系统校正的分类 .1433 本章小结 .16第 4 章基于频率法的控制系统的校正设计 .1741 基于频率法的串联超前校正 .17411 串联超前校正网络设计的算法步骤 .17412 超前校正装置的评价 .1842 基于频率法的串联滞后校正 .18421 串联滞后校正网络设计的算法步骤 .194. 2. 2 滞后校正装置的评价 .1943 基于频率法的串联超前滞后校正 .19431 串联超前滞后校正网络设计的算法步骤 .2
4、0432 滞后超前校正装置的评价 .204. 4 三种校正方法的效果对比 .2145 本章小结 .21第 5 章控制系统的仿真与校正对比分析 .2251 程序方式 .225. 1. 1 控制系统校正前的性能指标 .225. 1. 2 校正装置的设计过程及其性能指标的仿真 .285. 1. 3 控制系统校正后的性能指标 .3052Multisim 电路设计仿真方式 .38第 6 章设计总结 .416. 1 总结 .416. 2 心得 .41附英文文献： .434摘 要本论文主要研究如何根据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正设计，而此设计又具有很重要的现实意义。对于给定的线性定常系统，我
5、们通常通过加入串联超前、滞后或超前滞后综合校正装置，以达到提高系统的精度和稳定性的目的。本文将给出基于频率特性法串联校正的具体设计方法，同时对该课题中的控制系统模型进行仿真。本设计可实现如下功能：对一个线性定常系统，根据需求的性能指标，通过本设计可给出系统的串联校正网络，从绘制出的各种响应曲线可以直观地将校正前后的系统进行比较，而仿真实例结果也进一步表明了此设计方法有效性和实用性。关键词：串联校正；根轨迹；频率特性法；MATLABAbstractIn this paper we will discuss how to design a cascade compensator according
6、 to the usersrequirements for automatic Control System，which is of a very important practical significanceFor a given linear regular system，we usually contacted a cascade lead，a cascade lag or a cascade leadlag compensator in the purpose of greater precision and stability of the systemWhat will be a
7、lso given in this paper is the specific design methodology，which is based on the frequency characteristics method At the same time， we will visualize the model of the Control System in this paperThe design can achieve the following functions：Our demands for a linear regular system will be realized b
8、y inputting them through the interfaceThen we can obviously see the two response curves in comparisonThe simulation results of the examples demonstrated the effectiveness and the relevance of the design methodologyKey Words：Cascade compensation Root-locus Frequency characteristics MATLAB 5第 1 章绪论11
9、研究目的在实际工程控制中，往往需要设计一个系统并选择适当的参数以满足性能指标的要求，或对原有系统增加某些必要的元件或环节，使系统能够全面满足性能指标要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定执行元件的形式、特性和参数。然后，根据测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量变送元件。在此基础上，设计增益可调的前置放大器与功率放大器。这些初步选定的元件以及被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。如果通过调整放大器增
10、益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统能够全面满足设计要求，这就是控制系统设计中的校正问题。系统设计过程是一个反复试探的过程，需要很多经验的积累。MATLABSimulink 为系统设计提供了有效手段。12 相关研究现状系统仿真作为一种特殊的实验技术，在 20 世纪 30-90 年代的半个多世纪中经历了飞速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的实验科学。自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门设计自动控制理论、计算机数学、计算机技术、系统辩识以及系统科学的综合性新型学科。它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自
11、动控制系统的计算机辅助教学等提供了快速、经济、科学及有效的手段。自动控制系统仿真就是以自动控制系统模型为基础，采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对自动控制系统进行实验、 分析、评估及预测研究的一种技术与方法。13 研究方法6自动控制系统仿真包括以下几个基本步骤：问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析，其流程如图 11 所示：(1)建立数学模型问题描述目标建立模型建立程序编写数据分析结果输出仿真实验检查程序是否正确确认图 11 计算机仿真流程图控制系统模型，是指描述控制系统输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。控制系统模型可分为静态模型和动态模型，静态模型描述的是7自动控制
12、系统变量之间的静态关系，动态模型描述的是自动控制系统变量之间的动态关系。最常用、最基本的数学模型是微分方程与差分方程。(2)建立仿真模型由于计算机数值计算方法的限制，有些数学模型是不能直接用于数值计算的，如微分方程，因此原始的数学模型必须转换为能够进行系统仿真的仿真模型。例如，在进行连续系统仿真时，就需要将微分方程这样的数学模型通过拉普拉斯变换转换成传递函数结构的仿真模型。(3)编写仿真程序控制系统的仿真涉及很多相关联的量，这些量之间的联系要通过编制程序来实现，常用的数值仿真语言有 C、FORTRAN 等，近年来发展迅速的综合计算仿真软件，如 MATLAB 也可以用来编写仿真程序，而且编写起来
13、非常迅速、界面友好，已得到广泛应用。(4)进行仿真实验并分析实验结果在完成以上工作后，就可以进行仿真实验了，通过对仿真结果的分析来对仿真模型与仿真程序进行校验和修改，如此反复，直到达到满意的实验效果为止。14 本次设计的主要内容以及目前学术届近一步研究的趋势1. 4. 1 本次设计的主要内容(1)本论文主要是利用 MATLAB70 对频率法校正进行编程，生成用于进行系统校正的通用程序。(2)然后通过对实例的仿真说明其对自动控制系统的串联校正设计的通用性。(3)用户可以随时查看系统校正前后的各种图形，从中可以直观地看出系统的各种性能指标。1. 4. 2 目前学术界近一步研究的趋势随着计算机技术的
14、发展与进步，与之紧密结合的计算机仿真技术也飞速发展，其发展趋势主要表现在以下方面：(1)硬件方面：基于多 CPU 并行处理技术的权术子仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。8(2)应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。(3)分布式数字仿真：充分利用网络技术进行分布式仿真，投资少，效果好。(4)虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人仿佛置身于真实环境之中，这就是“仿真”。9第 2 章开发工具2
15、1 MATLAB 编程语言发展历程及特点MATLAB 的产生是与数学计算紧密联系在一起的。1980 年，美国新墨西哥州大学计算机系主任 Cleve Moler 在给学生讲授线性代数课程时，发现学生在高级语言编程上花费很多时间，于是着手编写供学生使用的 Fortran 字程序库借口程序，他将这个接 I：I 程序取名为 MATLAB(即 Matrix Laboratory 的前三个字母的组合，意为“矩阵实验室”)。这个程序获得了很大的成功，受到学生的广泛欢迎。20 世纪 80 年代初期，Moler 等一批数学家与软件专家组建了 Math Works软件开发公司，继续从事 MATLAB 的研究和开发
16、，1984 年推出了第一个 MATLAB 商业版本，其核心是用 C 语言编写的。而后，它又添加了丰富多彩的图形图像处理、多媒体、符号运算以及与其他流行软件的借口功能，使得 MATLAB 的功能越来越强大。Math Works 公司正式推出 MATLAB 后，于 1992 年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0 版本；1999 年推出的 MATLAB5.3 版在很多方面进一步改进了 MATLAB的功能，随之推出的全新版本 Simulink3.0 也达到了很高的档次；2000 年 10月推出的 MATLAB6.0 版本，在操作界面上有了很大的改观，同时还给出了程序发布窗口、历史信息窗口和变量管
17、理窗口等，为用户提供了极大的方便；2001年 6 月，MATLAB6.1 版即 Simulink4.0 版问世，功能已十分强大，其虚拟现实工具箱更给仿真结果三维视景下显示带来了新的解决方案；2001 年 6 月推出了MATLAB Releasel3，即 MATLAB6.5Simulink5.0，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等多方面有了极大的改进；2004 年 9 月正式推出MATLABReleasel4，即 MATLAB7.0Simulink6.0，其功能在原有的基础上又有了进一步的改进，它是 MATLAB 目前最新的版本。MATLAB 经过几十年研究与不断完善，现已成为国际上
18、最为流行的科学计算10与公车功能计算机软件工具之一，现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个最初的“矩阵实验室”了，它已发展成为一种具有广泛应用前景、全新的计算机高级编程语言。自 20 世纪 90 年代，在美国和欧洲大学中，将 MATLAB 正式列入研究生和本科生的教学计划，MATLAB 软件已成为应用代数、自动控制原理、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等课程的基本教学工具，成为学生所必须掌握的基本软件之一。在研究单位和工业界，MATLAB 也成为工程师们必须掌握的一种工具，被认作进行高效研究与开发的首选软件工具，其特点是：(1)可扩展性：MATLAB 最重要的特点是易于扩展，
19、它允许用户自行建立制定功能的 M 文件。(2)易学易用性：MATLAB 不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。(3)高效性：MATLAB 语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。22 MATLAB 系统构成MATLAB 系统由 MATLAB 开发环境、MATLAB 数学函数库、MATLAB 语言、MATLAB 图形处理系统和 MATLAB 应用程序接口(API)五大部分构成。(1)MATLAB 开发环境MATLAB 开发环境是一套方便用户使用 MATLAB 函数和文件的工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成化的工作空间，可以让用户输入、输出数据，并提供了 M 文件的集成编译和调试环境。它包括 MATLAB 桌面、命令窗口、M 文件编辑调试器、MATLAB 工作空间和在线帮助文档。(2)MATLAB 数学函数库MATLAB 数学函数库包括了大量的计算算法，从基本运算(如加法、正弦等)到复杂算法，如矩阵求逆、贝赛尔函数、快速傅里叶变换等。(3)MATLAB 语言MATLAB 语言是一个高级的基于矩阵数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入输出和每年向对象编程等特色。用户既可以用它来快速编写简
