基于MATLAB的自动控制系统仿真毕业设计
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摘要
自动控制原理理论性强，现实模型在实验室较难建立，因此利用 SIMULINK 进 行仿真实验，可以加深我们学生对课程的理解，调动我们学习的积极性，同时大大提 高了我们深入思考问题的能力和创新能力。本文针对自动控制系统的设计很大程度上 还依赖于实际系统的反复实验、调整的普遍现象，结合具体的设计实例，介绍了利用 较先进的 MATLAB 软件中的 SIMULINK 仿真工具来实现对自动控制系统建模、分析 与设计、仿真的方法。它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能。并且 能够灵活的改变系统的结构和参数，通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。 关键词：MATLAB；自动控制；系统仿真
II
目录
1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 题目背景、研究意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外相关研究情况 ............................................................................................... 1 2 自动控制概述 ................................................................................................................... 3 2.1 自动控制概念 ........................................................................................................... 3 2.2 自动控制系统的分类 ............................................................................................... 4 2.3 对控制系统的性能要求 ........................................................................................... 5 2.4 典型环节 ................................................................................................................... 6 3 MATLAB 仿真软件的应用 ........................................................................................... 10 3.1 MATLAB 的基本介绍 ............................................................................................ 10 3.2 MATLAB 的仿真 .................................................................................................... 10 3.3 4 控制系统的动态仿真 ........................................................................................... 11
自动控制系统仿真 ......................................................................................................... 14 4.1 直线一级倒立摆系统的建模及仿真 ..................................................................... 14 4.1.1 系统组成 ....................................................................................................... 14 4.1.2 模型的建立 ................................................................................................... 14 4.1.3 PID 控制器的设计 ........................................................................................ 19 4.1.4 PID 控制器 MATLAB 仿真 .......................................................................... 22 4.2 三容水箱的建模及仿真 ......................................................................................... 23 4.2.1 建立三容水箱的数学模型 ........................................................................... 24 4.2.2 系统校正 ....................................................................................................... 25
2
2
自动控制概述
2.1 自动控制概念
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得到了广泛的应用，自动控制技术 最显著的特征就是通过对各类机器，各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福 于社会。 所谓自动控制，就是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象， 使受控对象的被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化。 为达到某一目的，由相互制约的各个部分，按一定的规律组织成的，具有一定功 能的整体，称为系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象所组成。 自动控制有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。 （1）开环控制 控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。其特点 是：系统结构和控制过程均很简单。开环控制的示意框图如图2.1所示
III
1
绪论ຫໍສະໝຸດ Baidu
1.1 题目背景、研究意义
MATLAB 语言是当今国际控制界最为流行的控制系统计算机辅助设计语言， 它的 出现为控制系统的计算机辅助分析和设计带来了全新的手段。其中图形交互式的模型 输入计算机仿真环境 SIMULINK，为 MATLAB 应用的进一步推广起到了积极的推动 作用。现在，MATLAB 语言已经风靡全世界，成为控制系统 CAD 领域最普及、也是 最受欢迎的软件环境。 随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹 制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术 的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中， 成为现代社会生活中不可缺少的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人 类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，自动控制理论和 技术必将进一步发挥更加重要的作用。作为一个工程技术人员，了解和掌握自动控制 的有关知识是十分必要的。 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率， 而且减轻了人的劳动强度。自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的 命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行 的飞机。某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能 的生产、火炮或导弹的制导等等。利用 MATLAB 软件中的 SIMULINK 仿真工具来实 现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真。能够直观、快速地分析系统的动态性能、 和稳态性能。并且能够灵活的改变系统的结构和参数，通过快速、直观的仿真达到系 统的优化设计。
1.2 国内外相关研究情况
随着社会生产力的不断发展和人们生活质量的不断提高， 必将对控制理论、 技术、 系统与应用提出越来越多、越来越高的要求，因此有必要进一步加强、加深对这方面
1
的研究。MATLAB/Simulink 为此提供了可能，实践已表明它的确是一个功能强大、形 象逼真、便于操作的软件工具。在国外 MATLAB 已经经受了多年考验。在欧美高校， MATLAB 已经成为自动控制与各类高级课程的基本教学工具，成为各高校大学生、研 究生必须掌握的基础知识与基本技能。
I
Abstract
Strong theory of automatic control theory, the reality is more difficult to establish in the laboratory model, thus using the SIMULINK simulation experiment, students can deepen our understanding of the course, to mobilize the enthusiasm of our study, while greatly increasing our ability to think deeply and Innovationcapacity.In this paper, the design of automatic control system is still largely dependent on the actual system of repeated experiments, adjustment of the universal phenomenon, with specific design example, introduced the use of more advanced software in the MATLAB SIMULINK simulation tools to achieve the automatic control systemModeling, Analysis and design, simulation methods.It can intuitively and quickly analyze the dynamic performance, and steady-state performance. Keywords: MATLAB; Automatic control; System simulation
总结 ....................................................................................................................................... 28 致谢 ....................................................................................................................................... 29 参考文献 ............................................................................................................................... 30
自动控制原理理论性强，现实模型在实验室较难建立，因此利用 SIMULINK 进 行仿真实验，可以加深我们学生对课程的理解，调动我们学习的积极性，同时大大提 高了我们深入思考问题的能力和创新能力。本文针对自动控制系统的设计很大程度上 还依赖于实际系统的反复实验、调整的普遍现象，结合具体的设计实例，介绍了利用 较先进的 MATLAB 软件中的 SIMULINK 仿真工具来实现对自动控制系统建模、分析 与设计、仿真的方法。它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能。并且 能够灵活的改变系统的结构和参数，通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。 关键词：MATLAB；自动控制；系统仿真
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目录
1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 题目背景、研究意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外相关研究情况 ............................................................................................... 1 2 自动控制概述 ................................................................................................................... 3 2.1 自动控制概念 ........................................................................................................... 3 2.2 自动控制系统的分类 ............................................................................................... 4 2.3 对控制系统的性能要求 ........................................................................................... 5 2.4 典型环节 ................................................................................................................... 6 3 MATLAB 仿真软件的应用 ........................................................................................... 10 3.1 MATLAB 的基本介绍 ............................................................................................ 10 3.2 MATLAB 的仿真 .................................................................................................... 10 3.3 4 控制系统的动态仿真 ........................................................................................... 11
自动控制系统仿真 ......................................................................................................... 14 4.1 直线一级倒立摆系统的建模及仿真 ..................................................................... 14 4.1.1 系统组成 ....................................................................................................... 14 4.1.2 模型的建立 ................................................................................................... 14 4.1.3 PID 控制器的设计 ........................................................................................ 19 4.1.4 PID 控制器 MATLAB 仿真 .......................................................................... 22 4.2 三容水箱的建模及仿真 ......................................................................................... 23 4.2.1 建立三容水箱的数学模型 ........................................................................... 24 4.2.2 系统校正 ....................................................................................................... 25
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自动控制概述
2.1 自动控制概念
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得到了广泛的应用，自动控制技术 最显著的特征就是通过对各类机器，各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福 于社会。 所谓自动控制，就是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象， 使受控对象的被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化。 为达到某一目的，由相互制约的各个部分，按一定的规律组织成的，具有一定功 能的整体，称为系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象所组成。 自动控制有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。 （1）开环控制 控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。其特点 是：系统结构和控制过程均很简单。开环控制的示意框图如图2.1所示
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绪论ຫໍສະໝຸດ Baidu
1.1 题目背景、研究意义
MATLAB 语言是当今国际控制界最为流行的控制系统计算机辅助设计语言， 它的 出现为控制系统的计算机辅助分析和设计带来了全新的手段。其中图形交互式的模型 输入计算机仿真环境 SIMULINK，为 MATLAB 应用的进一步推广起到了积极的推动 作用。现在，MATLAB 语言已经风靡全世界，成为控制系统 CAD 领域最普及、也是 最受欢迎的软件环境。 随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹 制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术 的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中， 成为现代社会生活中不可缺少的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人 类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，自动控制理论和 技术必将进一步发挥更加重要的作用。作为一个工程技术人员，了解和掌握自动控制 的有关知识是十分必要的。 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率， 而且减轻了人的劳动强度。自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的 命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行 的飞机。某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能 的生产、火炮或导弹的制导等等。利用 MATLAB 软件中的 SIMULINK 仿真工具来实 现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真。能够直观、快速地分析系统的动态性能、 和稳态性能。并且能够灵活的改变系统的结构和参数，通过快速、直观的仿真达到系 统的优化设计。
1.2 国内外相关研究情况
随着社会生产力的不断发展和人们生活质量的不断提高， 必将对控制理论、 技术、 系统与应用提出越来越多、越来越高的要求，因此有必要进一步加强、加深对这方面
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的研究。MATLAB/Simulink 为此提供了可能，实践已表明它的确是一个功能强大、形 象逼真、便于操作的软件工具。在国外 MATLAB 已经经受了多年考验。在欧美高校， MATLAB 已经成为自动控制与各类高级课程的基本教学工具，成为各高校大学生、研 究生必须掌握的基础知识与基本技能。
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Abstract
Strong theory of automatic control theory, the reality is more difficult to establish in the laboratory model, thus using the SIMULINK simulation experiment, students can deepen our understanding of the course, to mobilize the enthusiasm of our study, while greatly increasing our ability to think deeply and Innovationcapacity.In this paper, the design of automatic control system is still largely dependent on the actual system of repeated experiments, adjustment of the universal phenomenon, with specific design example, introduced the use of more advanced software in the MATLAB SIMULINK simulation tools to achieve the automatic control systemModeling, Analysis and design, simulation methods.It can intuitively and quickly analyze the dynamic performance, and steady-state performance. Keywords: MATLAB; Automatic control; System simulation
总结 ....................................................................................................................................... 28 致谢 ....................................................................................................................................... 29 参考文献 ............................................................................................................................... 30