Simulink在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用課件

1、Matlab大作業(yè)Simulink在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用 1980年，美國(guó)New Mexico大學(xué)的Cleve Moler博士等人推出交互式MATLAB（MATix LABoratory）語(yǔ)言，最初的版本是用Fortran編寫，現(xiàn)在的版本用c語(yǔ)言編寫。1984年，Math Works推出了第一個(gè)商業(yè)版本。 MATLAB 3.5版本中增加了Simulink（圖形化的系統(tǒng)仿真環(huán)境）。基于種群生態(tài)學(xué)的理論，以MatlabSimulink工具，根據(jù)種群發(fā)展的Logistic模型，建立了學(xué)科群發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)和互補(bǔ)模型，并進(jìn)行了模擬仿真。Matlab語(yǔ)言是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)

2、算語(yǔ)言,適用于 工程應(yīng)用領(lǐng)域的分析、設(shè)計(jì)和復(fù)雜計(jì)算,而且易學(xué)易用,不要求使用者具備高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和編程技巧自動(dòng)控制原理這門課程涉及到控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理 論和相關(guān)技術(shù)。其特點(diǎn)是概念抽象,數(shù)學(xué)含量大,計(jì)算繁雜,以致我們難于理解,而實(shí)驗(yàn)課時(shí)我們通過Simulink能更好的理解自動(dòng)控制原理理論課的，Simulink是更好地幫助我們實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際有機(jī)結(jié)合的橋梁。搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以使我們對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有更深刻的理解和把握，同時(shí)可以提高我們的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)水平，更好地滿足社會(huì)對(duì)人才的要求。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)一般采用自控實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱面板上連接相應(yīng)的典型環(huán)節(jié)，通過對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)

3、軟件觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線及各項(xiàng)指標(biāo)。雖然這種方式可以一定程度地提高我們的動(dòng)手能力，加深對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容的理解，但觀察效果不理想，我們僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路圖接線，缺少主動(dòng)性和積極性。如果實(shí)驗(yàn)開始階段先讓我們利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，得到完全理論分析的響應(yīng)，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)箱操作起到正確的指導(dǎo)作用。我們一旦掌握這門語(yǔ)言，就可以很容易地利用軟件的相關(guān)命令函數(shù)做出所需的各種圖形，對(duì)自動(dòng)控制理論課程學(xué)習(xí)有極大的促進(jìn)作用。Matlab語(yǔ)言是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言,適用于 工程應(yīng)用領(lǐng)域的分析、設(shè)計(jì)和復(fù)雜計(jì)算,而且易學(xué)易用,不要求使用者具備高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和編程技巧,現(xiàn)已成為大學(xué)教

4、學(xué)和科研中最常用的工具,掌握該工具將大大提高課程教學(xué)、解題作業(yè)、分析研究的效率13。 Simulink與建模仿真Simulink是一種用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具。他是Matlab的一個(gè)附加組件，用來提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真工作平臺(tái)。用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型4。Simulink模型可以用來模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)。同時(shí)，Simulink是開放式的，允許用戶定制自己的模塊和模塊庫(kù)，而且他比較詳實(shí)的幫助系統(tǒng)便于應(yīng)用5。對(duì)于建模，Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面(GUI),可以直接用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和

5、拖拉模塊的圖標(biāo)建模。這是以前需要用編程語(yǔ)言明確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所無(wú)法比擬的。Simulink包括一個(gè)由信號(hào)源、接受器、線性和非線性組件以及中間的連接器件組成的模塊庫(kù)，同時(shí)可以根據(jù)用戶自己的需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的模塊。目前，隨著軟件的不斷升級(jí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，Simulink已經(jīng)在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，世界上很多知名的大公司已經(jīng)使用Simulink作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的工具。Simulink一般控制系統(tǒng)中的仿真應(yīng)用舉例首先，展示一下用Simulink進(jìn)行仿真的過程例1：對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，求系統(tǒng)的響應(yīng)特性。解：(1)選擇 SUMULINK瀏覽器窗口，開啟新的仿真平臺(tái)窗口

6、。(2) 從Simulink的Source拖曳Step到仿真平臺(tái)窗口。從Simulink的Math Operations拖曳Sum到仿真從Simulink的Continuous拖曳Transfer fcn到仿真平臺(tái)窗口。從Simulink的Continuous拖曳Integrator到仿真平臺(tái)窗口。從Simulink的Sinks拖曳Scope到仿真平臺(tái)窗口。模塊庫(kù)的配置如下雙擊Sum模塊庫(kù)將List of signs：改成+-正確的設(shè)定連接線，點(diǎn)選transfer fcn1點(diǎn)選又鍵，選取Format的Flip Blcok將模塊轉(zhuǎn)向，以便連線正確的設(shè)定剩余連接線雙擊transfer fcn修改N

7、umerator coefficients:和Denominator coefficients:雙擊transfer fcn1修改Numerator coefficients:和Denominator coefficients:設(shè)定simulation stop time點(diǎn)選start simulation雙擊示波器模塊，觀察結(jié)果例2二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)其模擬電路如圖1所示。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 由式(3)可知，改變比值R2/R1，可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比，改變RC值可以改變無(wú)阻尼自然頻率n。二階系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真利用Simulink建立仿真框圖如

8、圖3所示。 或者表示為如圖4所示。根據(jù)阻尼比在不同的范圍內(nèi)取值，二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下6，7：(1) 0，響應(yīng)發(fā)散，系統(tǒng)不能正常工作。(2) 0，系統(tǒng)以最快的速度進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，但響應(yīng)曲線是等幅振蕩的。(3) 01,雖然響應(yīng)有超調(diào)，但是上升速度比較快，調(diào)節(jié)時(shí)間比較短。工程上把阻尼比 0.707的二階系統(tǒng)稱為二階最優(yōu)系統(tǒng)。(4) 1，響應(yīng)與一階系統(tǒng)相似，沒有超調(diào)，但調(diào)節(jié)速度慢，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)需要較長(zhǎng)時(shí)間， 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。 其中，0對(duì)應(yīng)的是(R2/R1)0，這在實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閷?shí)際中的電阻值 為正，通過Simulink仿真可以解決這一問題。通過仿真實(shí)驗(yàn)，我們?cè)诰唧w實(shí)驗(yàn)箱操作時(shí)，可以分別選擇R2=0 k,140 k,200 k 和400 k進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。這樣可以更好地實(shí)現(xiàn)“理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐反映理論”的 目的。例3. 某一直流RC電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下。求當(dāng)開關(guān)閉合后，電容電壓和電流的暫態(tài)過程。設(shè)定直流電壓設(shè)定Breaker設(shè)定R=5 設(shè)定C=150uF雙擊示波器，點(diǎn)選Parameters，在Number