系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)的仿真

1、2.5系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)的仿真在實際系統(tǒng)中，往往存在各種非線性特性，可將此當作非線性環(huán)節(jié)處理， 這種環(huán)節(jié)的輸入和輸出之間關系是一種非線性函數(shù)關系，因此非線性環(huán)節(jié)的仿 真就是用仿真語言來描述這些關系。本節(jié)介紹幾種典型的非線性環(huán)節(jié)的仿真算 法。2.5.1飽和環(huán)節(jié)飽和環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中較普遍，例如飽和放大器、限幅裝置、飽和環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中較普遍，例如飽和放大器、限幅裝置、伺服閥飽和特性等。飽和環(huán)節(jié)特性如圖所示。圖2.5-1飽和特性該特性對應的數(shù)學表達式為:u U 二 Cy = * c u ac（2-5-1）-c u c C式中，c為飽和環(huán)節(jié)特征參數(shù)，斜率為該環(huán)節(jié)特性可用式中，c為飽和環(huán)節(jié)特征參數(shù)，斜率為該

2、環(huán)節(jié)特性可用MATLAB編程仿真，利用上面算法的編寫的MATLAB函數(shù)SATURATION，調用格式為:y = saturation (u,c)其中，u為輸入；c為飽和環(huán)節(jié)特征參數(shù)，y為飽和環(huán)節(jié)輸出Saturati on.m; amp209.m2.5.2死區(qū)環(huán)節(jié)在控制裝置中，放大器的不靈敏區(qū)，伺服閥和比例閥閥芯正遮羞特性，傳動元件靜摩擦等造成的死區(qū)特性。典型死區(qū)非線性環(huán)節(jié)特性如圖2.5-2所示。圖2,5-2死區(qū)特性圖2,5-2死區(qū)特性可用下面數(shù)學關系來描述: u -c u c u -c u c(2.5-2)U + C u c式中，c為死區(qū)特征參數(shù)，斜率為1。該環(huán)節(jié)可根據(jù)上述算法編寫MATLAB

3、函數(shù)deadzone供調用，格式如下:y 一 deadzone(u, c)其中，u為環(huán)節(jié)輸入；c為死區(qū)環(huán)節(jié)特征參數(shù)，y為死區(qū)環(huán)節(jié) 輸出。Deadz on e.m; amp210m2.5.3齒隙非線性環(huán)節(jié)齒輪傳動副和絲桿螺母傳動副中存在傳動間隙都屬這一類非線性因素，它對系統(tǒng)精度帶來影響。齒隙非線性環(huán)節(jié)特性如圖2.5-3所示。d17a b i圖2.5-3齒隙特性當輸入U增加時，輸出沿a b d線段變化；當輸入U減小時，輸出沿d e a線段變化。在線段bd上，輸入增加時，當前輸出值y(k)總是大于前一時刻的輸出值y(k-1)。而在ea上，輸入減小時，當前輸出y(k)總是小于前一時刻的輸出值y(k-i

4、)o在ab段和de段，y(k)=y(k-1)。以上特性的數(shù)學描述如下：u(k) -c 當 Uk)-u(k-1) 0 且 y(k-1)乞 u(k)cy(k) = u(k) +c 當 Uk) _u(k _1) cO 且 y (k _1)X u(k) _c( 2.5-3)y(k -1)其余式中，c為齒隙環(huán)節(jié)特征參數(shù)，斜率為1。根據(jù)(2.5-3)算法編寫的MATLAB函數(shù)backlash，調用格式如下：y1 =backlash(u1,uO,yO,c)其中，uO,u1分別為前一時刻和當前時刻輸入值；yO,y1分別為前一時刻和當前時刻輸出值；c為齒隙特征參數(shù)。Backlash.m,2.5.4繼電非線性環(huán)節(jié)

5、繼電非線性環(huán)節(jié)特性如圖2.5-4所示，(b)為具有死區(qū)繼電環(huán)節(jié)，(a)為(b)特例，即c=0。對于圖(b)所示特性，可用下面數(shù)學關系描述：圖2.5-4繼電環(huán)節(jié)特性0 u(k)| 0f (k)cv(k) =0)且 v(k +1) c0 (2.5-6)sign(u)， (G u +c)其他根據(jù)式(2.5-6)的算法，編寫的MATLAB函數(shù)friction，調用格式為：y = friction (u, u1, c, G)其中，u,u1分別為當前時刻和下一時刻的輸入值(速度)；y為輸出值(摩擦力)；c為庫侖摩擦力值；G為粘性摩擦系數(shù)。2.6采樣控制系統(tǒng)仿真2.6.1采樣控制系統(tǒng)的基本組成采樣控制系統(tǒng)是

6、指系統(tǒng)一處或幾處信號是以采樣形式來傳遞的，而被控對象是連續(xù)的。典型的采樣控制，是一種連續(xù)一離散混合系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖2.6F所示e(kT)混合系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖2.6F所示e(kT)數(shù)字控制器醐量裝直被控對源圖2.6-1采樣控制系統(tǒng)隨著計算機技術的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)成為采樣控制系統(tǒng)的主要形式。系統(tǒng)（a）和系統(tǒng)（b）的主要區(qū)別在于系統(tǒng)閉環(huán)的輸入信號類型，前者是模擬 信號，后者是數(shù)字信號。系統(tǒng)中的A/D轉換器是采樣開關，將連續(xù)模擬量轉變 為離散的數(shù)字量并根據(jù)計算量的位數(shù)進行進行量化處理；D/A轉換器是將離 散的數(shù)字量轉變?yōu)槟M量，同時它也是一個保持器，且一般具有零階保持器特征。A/D 和D/A轉換器在模

7、擬量和數(shù)字量之間存在確定的比例關系，相當于系統(tǒng)中的比 例環(huán)節(jié)。262采樣控制系統(tǒng)仿真特點采樣控制系統(tǒng)包含連續(xù)部分和離散部分。對于連續(xù)部分仿真方法和連續(xù)系統(tǒng)仿真一樣，可采用數(shù)值積分法或離散相似法。若采用數(shù)值積分法則需要確定積分步長，若采用離散相似法則需要確定虛擬的采樣周期。對于離散部分，A/D轉換器和D/A轉換器是實際存在的，采樣周期和保持器類型也均是實際存在的。因此采樣控制系統(tǒng)仿真中，仿真步距或虛擬采樣周期和系統(tǒng)實際采樣周期之間存 在同步問題。263仿真步長和采樣周期對采樣控制系統(tǒng)進行仿真時，連續(xù)部分仿真步長的選擇必須根據(jù)被控對象 的動態(tài)特性、系統(tǒng)采樣周期大小、仿真精度的要求等綜合考慮。一般按

8、下面 兩種情況處理：（1）仿真步長h等于采樣周期T ；（2）仿真步長h小于采樣周期T。第一種方法適用于系統(tǒng)連續(xù)部分參數(shù)變化較緩慢或系統(tǒng)幅值穿越頻率c較小的系統(tǒng)。對于大多婁機電類采樣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)連續(xù)部分參 數(shù)變化較快，常采用第二種方法，以保證系統(tǒng)中連續(xù)部分足夠的仿真精度。若仿真步長h小于采樣周期T，為了全球仿真程序的實現(xiàn)，通常取采樣周期T恰好是仿真步長h的整數(shù)倍速，即h二工，其N中N為正整數(shù)。采樣系統(tǒng)仿真采用定步距，對于連續(xù)部分在每個計算點均作仿 真運算，而對于離散部分（數(shù)字控制器）只有在采樣時刻才執(zhí)行仿真運算，在 其他計算點不執(zhí)行仿真運算。在仿真程序中，采樣時刻點可借助仿真時間/采樣 周期為

9、整數(shù)的關系來確定。采樣控制系統(tǒng)仿真程序流程如圖2.6-2所示。264采樣控制系統(tǒng)仿真方法如前所述，采樣控制系統(tǒng)分為連續(xù)部分和離散部分。對于連續(xù)部分仿真有不同的處理辦法，采樣控制系統(tǒng)仿真方法分為兩種。、基于數(shù)值積分法軸入素統(tǒng)參數(shù)及仿直 參數(shù)等輸入系統(tǒng)初始 狀態(tài)會數(shù)圖2.6-2采樣控制系統(tǒng)仿真程序流程圖對系統(tǒng)連續(xù)部分仿真采用數(shù)值積分法，圖2.6-2是基于數(shù)值積分的采樣控制系 統(tǒng)仿真程序框圖。這種方法需選擇連續(xù)部分仿真步長、仿真數(shù)值積分方法等。一般采用定步距，且仿真步長一般小于離散部分采樣周期。離散部分仿真 是基于遞推法，十分簡單。二、基于離散相似法系統(tǒng)的連續(xù)部分先進行z變換，若連續(xù)部分模型G(s)

10、已知，則可借助 MATLAB函數(shù)C2D將連續(xù)模型轉換為離散模型G(z)，將G(z)和原系統(tǒng)離散 部分模型D(z)合并后可求得采樣控制系統(tǒng)的離散模型W(z)，這樣就可以進行仿 真運算。在連續(xù)部分離散化時，可優(yōu)先選擇虛擬的采樣周期和系統(tǒng)實際采樣周 期相同。在仿真運算時可根據(jù)仿真速度和精度要求，采用不同的采樣周期，但這時需用MATLAB函數(shù)D2D對模型w(z)進行變換。以下實例介紹基于數(shù)值積分法的采樣控制系統(tǒng)仿真程序的編例2-9已知一個計算機控制的電液伺服位置控制系統(tǒng)框圖如圖2.6-3所示，度用MATLAB編寫仿真程序。,)/ A.,)/ A.控制器 數(shù)值限帽I轉換雅何服敢大器電流限幅I 電液同服閥

11、負哉隙血同步器圖2.6-3例2-9示意圖系統(tǒng)主要參數(shù)如下:(1)控制，取數(shù)字控制器，僅考慮比例 心二2 ;數(shù)字限幅：1024 ；12位D/A(1)控制，取數(shù)字控制器，僅考慮比例 心二2 ;數(shù)字限幅：1024 ；12位D/A轉換器系數(shù)Ka 5V/2048 ；da=增益系數(shù)伺服放大器：電壓放大器Ka=1.2 ；電壓/電流轉換系數(shù)Kvi =48mA/2.5V ；電流限幅：_40mA ；伺服模型:Gv(s)二 Q%S2 .2；或以狀態(tài)空間表達式描述，狀態(tài)空間參數(shù)矩陣如下:式中，伺服閥自然頻率”200rad/s ；伺服閥阻尼比=0.5 ；伺服閥流量系數(shù)Ksv可通過閥額定參數(shù)和實際工作點計算；伺服閥額定工

12、作電流為一 40mA ；液壓缸動力模型Gh(Gh(s)=Y(s) 1/AQ(s) s 屬孕 s 1)nh nh或以狀態(tài)空間模型來描述，狀態(tài)空間系數(shù)矩陣為:02-h(4) nhb =024nhC = 1 00】其中，狀態(tài)變量X=X1，X2, X3】=y,y,y，時為液壓缸固有頻率，h為液壓缸阻尼比，A為液壓 缸面積。數(shù)字式位移檢測裝置：感應同步器，精度一個脈沖/0.01mm。感應同步器接口電路：感應同步器脈沖信號轉換為數(shù)字量，1/bit每個脈沖。這是一個典型的采樣控制系統(tǒng)，包含有連續(xù)部分：電液伺服閥、伺服放 大器、液壓缸裝置；離散部分：計算機控制器；接口部分：D/A轉換器、感 應同步器接口板等。

13、系統(tǒng)采樣周期為10ms，采用四階R-K法對連續(xù)部分 進行仿真，仿真步長為1ms，仿真程序包括：主程序hm45.m，電液伺服閥模型的m函數(shù)valve()，液壓缸 模型的 m函數(shù)hysys()，數(shù)據(jù)文件svdada.m。主程序運行時首先調入數(shù)據(jù)文件， 兩個m函數(shù)文件，給一些參數(shù)初始化，然后進行仿真循環(huán)計算，最后輸出 仿真結果及存儲仿真數(shù)據(jù)。主程序中用到MATLAB函數(shù)FEVAL，其功能是執(zhí)行字符串所描述的 函數(shù)，調用格式為：Y1,，丫n二fevalF,X1, Xn其中，F(xiàn)為一個函數(shù)名的字符串；X1, ,Xn為該 函數(shù)的輸入?yún)?shù)；Y1,.,Yn為該函數(shù)的輸出參數(shù)。程序運行結果如圖2.6-4所示。改變

14、比例控制器增益Kp可看出Kp對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。圖2.6-4系統(tǒng)的階次響應2.7 Simulink動態(tài)仿真2.7 Simulink動態(tài)仿真Simulink是MATLAB軟件包之一，用于可視化的動態(tài)系統(tǒng)仿真，它 適用于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，也適用于線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。它采用系統(tǒng)模塊直觀地描述系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)，可十分方便地建立系統(tǒng)模型而不需要花較多時間編程。利用Simulink進行系統(tǒng)仿真的步驟是：（1）啟動Simulink，打開Simulink模塊庫和模型窗口；在Simulink模型窗口下，創(chuàng)建系統(tǒng)框圖模型并調整模塊參數(shù)；設置仿真參數(shù)，進行仿真；輸出仿真結果。2.7.1 啟動 Simulink啟動

15、Simulink就是進入Simulink的工作環(huán)境，并且打開Simulink模塊庫和一個Simulink模型窗口，為建立系統(tǒng)的Simulink模型作準備。2.7.2系統(tǒng)Simulink模型的建立系統(tǒng)Simulink模型是一種以系統(tǒng)環(huán)節(jié)方塊圖為基礎的方塊圖模型，十分直觀。系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)或常用環(huán)節(jié)的方塊圖在Simuli nk模塊庫中都可以找到，因此建立系統(tǒng)的Simulink模型十分方便和快捷。建立新的系統(tǒng)Simulink模型的主要步驟如下：打開 Simulink模型窗口 (untitled)；選取模塊或模塊組；模塊拷貝及刪除；模塊調整；模塊參數(shù)設置；模塊的連接；模塊文件的取名和保存。2.7.3系統(tǒng)仿

16、真運行在建立系統(tǒng)的Simulink框圖模型后，就可以進行系統(tǒng)動態(tài)仿真。系統(tǒng)仿真運行有兩種方式進行，一種是利用Simulink模型窗口的菜單Simulation下的選項，二是在MATLAB COMMAND窗口下輸 入命令。一、Simulink模型窗口下仿真Simulink模型窗口下仿真的具體步驟如下：（1）開系統(tǒng)的Simulink模型窗口，窗口內有已建立的系統(tǒng)框圖模 型。（2）在模型窗口選取菜單 Simulation Parameters設置仿真參 數(shù)。（3）在對話框模型窗口內選取SimulationStart，仿真開始，在設置的仿真終止時間仿真結束。由上可知，在系統(tǒng)Simulink模型窗口下仿

17、真，主要工作是利用Simulation Parameters對話框設置仿真參數(shù)，仿真參數(shù)設置包括：SOker（數(shù)值積分法），Workspace I/O （工作空間輸入/輸出），Diag no sties （診斷）和 Real-Time Workspace （實時工作空間）。（一）Solver頁有關參數(shù)設置設置內容有：（1）Simulation time （仿真時間）（2）Solver options （仿真解法選擇項）Typt： Variable-step （變步距）和 Fixed-step （定步距）兩種。（3）變步距解法選擇項仿真算法（4）定步距解法選擇項 （5）輸出選擇項（二） Work

18、space I/O 頁設置內容有：（1） Load from workspace （從工作空間調入數(shù)據(jù)）例2-10若系統(tǒng)Simulink框圖模型hexaml,如圖2.7-1所示，采用從Workspace調入數(shù)據(jù)的步驟如下：Transfer IF cn1圖2.7-1例2-10系統(tǒng)框圖模型激活 Workspace I/O 頁；在 in put:輸入t,ua;在MATLAB COMMAND窗口下工作空間內裝入矩陣格式數(shù)據(jù)t和ua。對于簡單輸入數(shù)據(jù)可直接在MATLAB工作空間內直接手工輸入；對于較復雜輸入數(shù)據(jù)可用M文件。本例 amp216.m。模型hexam l仿真運行結果。（2） Save to workspace （保存數(shù)據(jù)到工作空間）仿真結果的數(shù)據(jù)可以保存到MATLAB工作空間，這些數(shù)據(jù)包括：Time （時間）、States （狀態(tài)）、Ou