基于MATLAB的随动系统
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3.4系统稳定性判别及系统校正……………………………………………………8
第4章 系统仿真……………………………Biblioteka Baidu…………………………………………13
4.1应用SIMULINK组件对系统进行仿真……………………………………………13
4.2应用MATLAB控制系统工具箱对系统进行仿真…………………………………14
第1章 绪论…………………………………………………………………………………1
1.1随动系统………………………………………………………………………1
1.2系统仿真………………………………………………………………………1
1.3MATLAB软件…………………………………………………………………2
1.4本课题研究任务………………………………………………………………3
MATLAB编程代码很接近数学推导格式，简洁直观，更符合人们的思维习惯，编程极其方便，被称为“草稿纸”式的编程工具，MATLAB软件是现今国内外广泛流行的工程应用软件，因此用MATLAB对自动控制系统进行有效的计算机辅助分析与设计的手段是非常必要的。
1.4本课题研究任务
在以往对某一控制系统进行分析的过程中，如果需要研究该系统的某种输入信号响应，往往需要编写一些数值计算程序。例如：如果要想得到一个系统的冲激响应输出曲线，需要首先编写一个求解微分方程的子程序，将已经获得的系统模型输入计算机，通过计算机的运算获得冲激响应的输出数据，然后再编写一个绘图程序将数据绘制成可供工程分析的曲线图形，因此整个分析过程十分烦琐，而且还经常会由于疏忽而得不到正确的结果。MATLAB的出现解决了工程实际中这一复杂的问题，通过MATLAB的控制系统工具箱和SIMULINK辅助环境，以对控制系统进行设计、分析和仿真，使控制系统的分析过程大大简化，提高了系统分析的正确性和工作效率。所以本课题的任务就是通过利用MATLAB中的控制系统工具箱和SIMULINK组件对随动系统结构进行分析、建立数学模型、通过编程或运行仿真，获得反映该系统性能的曲线，并对仿真结果进行比较分析。
3.2.4可控硅放大器…………………………………………………………7
3.2.5测速发电机……………………………………………………………7
3.2.6减速器…………………………………………………………………8
3.2.7直流伺服电动机………………………………………………………8
3.3数学模型及传递函数……………………………………………………………8
随动控制系统是一种反馈控制的动态系统，又名伺服控制系统，是构成自动化体系的基本环节。它是由若干元件和部件组成，具有功率放大作用的一种自动控制系统。在这种系统中，其参考输入是变化规律未知的任意时间函数，输出量是以一定精度复现输入量变化的函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。其面临的主要矛盾是被控对象和执行机构因惯性等因素的影响，使得系统的输出量不能紧紧跟随输入量的变化；其控制任务是提高系统的跟踪能力，使被控量按同样规律变化并与输入量的误差保持在规定范围内，即在各种情况下保证输出量以一定的精度跟随输入量的变化。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。
这种系统广泛的应用于军事工业和民用工业，如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统，轮舵位置控制系统，工业自动化仪表中的显示记录仪等。
1.2系统仿真
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行实验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性和实验性的学科[1]。
第2章 系统的构成及原理…………………………………………………………………4
2.1随动系统原理图……………………………………………………………4
2.2系统组成部分………………………………………………………………5
2.3系统结构图…………………………………………………………………5
第3章 数学模型……………………………………………………………………………7
所谓仿真就是建立系统的模型，并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和治理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。
3.1系统原理图……………………………………………………………………7
3.2系统各环节传递函数…………………………………………………………7
3.2.1自整角机………………………………………………………………7
3.2.2相敏整流和低通滤波器………………………………………………7
3.2.3电压放大器……………………………………………………………7
仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；
系统仿真起源于自动化领域，在工程实践中，为了设计出一个品质优良的自动化系统，首先要对系统进行分析与试验，选择最佳参数和设计最合理的系统方案。在系统运行前，利用仿真模型作为猜测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策。在工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和练习过程的安全。因此，随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越多的取代纯物理仿真，它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。
1.3MATLAB软件
MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，广泛应用于数学、物理、化理、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具。
MATLAB可以在各种类型的计算机上运行，如PC及兼容机、Macintosh及Sun工作站、VAX机、Apollo工作站、HP工作站等。使用MATLAB语言进行编程，可以不用做任何修改就可移植到这些机器上运行，它与机器类型无关，这大大拓宽了MATLAB语言的应用范围。
MATLAB作为一种科学计算的高级语言，具有丰富的函数资源和工具箱资源，因此MATLAB语言除可以进行传统的交互式编程来设计控制系统以外，还可以调用它的控制系统工具箱来设计控制系统，并且，许多使用者还结合自己的研究领域及特长，开发出了各种不同类型的工具箱，如系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、模糊控制工具箱等，随着控制理论的不断发展和研究的不断深入，这类系统箱的数目还会不断增加和完善。
2)能模拟运行无法实施的问题。实际中有许多问题无法通过付诸实施来进行研究，如预测问题就是这一类问题的代表性例子。
3)可以进行大量方案的比较和选优。在一项新的系统设计中，由于各种设计参数的变化，会存在大量的备选方案，若用人工方法把全部方案都算出来进行比较，其工作量之大将是无法实现的。对这一类问题采用系统仿真来比较、选优，则很容易实现[2]。
MATLAB的Simulink就是Mathworks公司开发的仿真工具之一，模块的功能是实现动态系统建模、仿真与分析。Simulink还提供了大量的功能模块以方便快速地建立动态系统模型。利用Simulink对系统进行仿真与分析，可以对系统进行适当的实时修正或按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，从而实现高效率地开发实际系统的目标。Simulink模块的增加使控制系统进行仿真后，还可以利用MATLAB的工具在线生成C语言代码，用于实时控制。因此，MATLAB不仅是一般的编程工具，而是作为一种控制系统的设计平台出现的[1]。
关键词：MATLAB；随动控制系统；稳定性；建模；Simulation
Abstract
The servo-control system is an automation control system's important branch，This article conducts the simulation research based on the MATLAB software to this control system
本章分别对随动系统、系统仿真和MATLAB软件的基本知识进行了介绍，建立对控制系统仿真有一个较为明确的认识。
1.1随动系统
随着现代科学技术的发展，自动控制技术在实际中的应用日趋广泛。所谓自动控制，是指在没人直接参与的情况下，利用控制装置或控制器，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制系统的种类很多，按给定量的运动规律可以分为恒值控制系统、程序控制系统、随动系统。
摘要
随动控制系统是自动化控制系统的一个重要分支，本文基于MATLAB软件对该控制系统进行仿真研究。
本文通过介绍随动系统原理图，构建系统结构图，并对系统结构中各个环节进行分析研究简化传递函数，然后根据随动控制系统结构图建立随动控制系统的数学模型，并利用MATLAB中的控制系统工具箱和SIMULINK组件对系统进行仿真，获得了反映系统性能的曲线，对仿真结果进行了比较分析。结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便、高效及可靠性高等优点。
KeyWords：MATLAB;servo control systems;stability; model building;Simulation
摘 要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ
This article through introduction servo system schematic diagram, Construction system structure drawing, And each link carries on the analytical study simplification transfer function to the system structure in,Then according to servo-control system structure drawing establishment servo-control system's mathematical model,the simulation of system were made by applying control system tool box and simulink of Matlab.Moreover,characteristic curves of system were obtained and results of simulation were compared and ansysed.The results indicated that,there are obvious advantages such as convenience,high efficiency and strong reliability to make use of MATLAB to build simulation of system.
计算机仿真目前已在工程技术、科学试验、生产管理、军事领域、财政金融甚至社会科学等领域得到了广泛的应用。计算机仿真所以能得到越来越多的应用，主要具有以下优点：
1)对于复杂的、具有多个随机因素的系统，要用数学模型来作精确的描述往往是十分困难的。或者虽然能建立相应的数学模型，但无法求解。但系统仿真则可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和系统行为构造仿真模型，从而能得到复杂随机系统的解。这是系统仿真能得到广泛应用的最基本原因。
第5章结论………………………………………………………………………………17
附录…………………………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………………19
致谢……………………………………………………………………………………20
第1章 绪论
第4章 系统仿真……………………………Biblioteka Baidu…………………………………………13
4.1应用SIMULINK组件对系统进行仿真……………………………………………13
4.2应用MATLAB控制系统工具箱对系统进行仿真…………………………………14
第1章 绪论…………………………………………………………………………………1
1.1随动系统………………………………………………………………………1
1.2系统仿真………………………………………………………………………1
1.3MATLAB软件…………………………………………………………………2
1.4本课题研究任务………………………………………………………………3
MATLAB编程代码很接近数学推导格式，简洁直观，更符合人们的思维习惯，编程极其方便，被称为“草稿纸”式的编程工具，MATLAB软件是现今国内外广泛流行的工程应用软件，因此用MATLAB对自动控制系统进行有效的计算机辅助分析与设计的手段是非常必要的。
1.4本课题研究任务
在以往对某一控制系统进行分析的过程中，如果需要研究该系统的某种输入信号响应，往往需要编写一些数值计算程序。例如：如果要想得到一个系统的冲激响应输出曲线，需要首先编写一个求解微分方程的子程序，将已经获得的系统模型输入计算机，通过计算机的运算获得冲激响应的输出数据，然后再编写一个绘图程序将数据绘制成可供工程分析的曲线图形，因此整个分析过程十分烦琐，而且还经常会由于疏忽而得不到正确的结果。MATLAB的出现解决了工程实际中这一复杂的问题，通过MATLAB的控制系统工具箱和SIMULINK辅助环境，以对控制系统进行设计、分析和仿真，使控制系统的分析过程大大简化，提高了系统分析的正确性和工作效率。所以本课题的任务就是通过利用MATLAB中的控制系统工具箱和SIMULINK组件对随动系统结构进行分析、建立数学模型、通过编程或运行仿真，获得反映该系统性能的曲线，并对仿真结果进行比较分析。
3.2.4可控硅放大器…………………………………………………………7
3.2.5测速发电机……………………………………………………………7
3.2.6减速器…………………………………………………………………8
3.2.7直流伺服电动机………………………………………………………8
3.3数学模型及传递函数……………………………………………………………8
随动控制系统是一种反馈控制的动态系统，又名伺服控制系统，是构成自动化体系的基本环节。它是由若干元件和部件组成，具有功率放大作用的一种自动控制系统。在这种系统中，其参考输入是变化规律未知的任意时间函数，输出量是以一定精度复现输入量变化的函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。其面临的主要矛盾是被控对象和执行机构因惯性等因素的影响，使得系统的输出量不能紧紧跟随输入量的变化；其控制任务是提高系统的跟踪能力，使被控量按同样规律变化并与输入量的误差保持在规定范围内，即在各种情况下保证输出量以一定的精度跟随输入量的变化。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。
这种系统广泛的应用于军事工业和民用工业，如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统，轮舵位置控制系统，工业自动化仪表中的显示记录仪等。
1.2系统仿真
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行实验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性和实验性的学科[1]。
第2章 系统的构成及原理…………………………………………………………………4
2.1随动系统原理图……………………………………………………………4
2.2系统组成部分………………………………………………………………5
2.3系统结构图…………………………………………………………………5
第3章 数学模型……………………………………………………………………………7
所谓仿真就是建立系统的模型，并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和治理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。
3.1系统原理图……………………………………………………………………7
3.2系统各环节传递函数…………………………………………………………7
3.2.1自整角机………………………………………………………………7
3.2.2相敏整流和低通滤波器………………………………………………7
3.2.3电压放大器……………………………………………………………7
仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；
系统仿真起源于自动化领域，在工程实践中，为了设计出一个品质优良的自动化系统，首先要对系统进行分析与试验，选择最佳参数和设计最合理的系统方案。在系统运行前，利用仿真模型作为猜测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策。在工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和练习过程的安全。因此，随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越多的取代纯物理仿真，它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。
1.3MATLAB软件
MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，广泛应用于数学、物理、化理、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具。
MATLAB可以在各种类型的计算机上运行，如PC及兼容机、Macintosh及Sun工作站、VAX机、Apollo工作站、HP工作站等。使用MATLAB语言进行编程，可以不用做任何修改就可移植到这些机器上运行，它与机器类型无关，这大大拓宽了MATLAB语言的应用范围。
MATLAB作为一种科学计算的高级语言，具有丰富的函数资源和工具箱资源，因此MATLAB语言除可以进行传统的交互式编程来设计控制系统以外，还可以调用它的控制系统工具箱来设计控制系统，并且，许多使用者还结合自己的研究领域及特长，开发出了各种不同类型的工具箱，如系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、模糊控制工具箱等，随着控制理论的不断发展和研究的不断深入，这类系统箱的数目还会不断增加和完善。
2)能模拟运行无法实施的问题。实际中有许多问题无法通过付诸实施来进行研究，如预测问题就是这一类问题的代表性例子。
3)可以进行大量方案的比较和选优。在一项新的系统设计中，由于各种设计参数的变化，会存在大量的备选方案，若用人工方法把全部方案都算出来进行比较，其工作量之大将是无法实现的。对这一类问题采用系统仿真来比较、选优，则很容易实现[2]。
MATLAB的Simulink就是Mathworks公司开发的仿真工具之一，模块的功能是实现动态系统建模、仿真与分析。Simulink还提供了大量的功能模块以方便快速地建立动态系统模型。利用Simulink对系统进行仿真与分析，可以对系统进行适当的实时修正或按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，从而实现高效率地开发实际系统的目标。Simulink模块的增加使控制系统进行仿真后，还可以利用MATLAB的工具在线生成C语言代码，用于实时控制。因此，MATLAB不仅是一般的编程工具，而是作为一种控制系统的设计平台出现的[1]。
关键词：MATLAB；随动控制系统；稳定性；建模；Simulation
Abstract
The servo-control system is an automation control system's important branch，This article conducts the simulation research based on the MATLAB software to this control system
本章分别对随动系统、系统仿真和MATLAB软件的基本知识进行了介绍，建立对控制系统仿真有一个较为明确的认识。
1.1随动系统
随着现代科学技术的发展，自动控制技术在实际中的应用日趋广泛。所谓自动控制，是指在没人直接参与的情况下，利用控制装置或控制器，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制系统的种类很多，按给定量的运动规律可以分为恒值控制系统、程序控制系统、随动系统。
摘要
随动控制系统是自动化控制系统的一个重要分支，本文基于MATLAB软件对该控制系统进行仿真研究。
本文通过介绍随动系统原理图，构建系统结构图，并对系统结构中各个环节进行分析研究简化传递函数，然后根据随动控制系统结构图建立随动控制系统的数学模型，并利用MATLAB中的控制系统工具箱和SIMULINK组件对系统进行仿真，获得了反映系统性能的曲线，对仿真结果进行了比较分析。结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便、高效及可靠性高等优点。
KeyWords：MATLAB;servo control systems;stability; model building;Simulation
摘 要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ
This article through introduction servo system schematic diagram, Construction system structure drawing, And each link carries on the analytical study simplification transfer function to the system structure in,Then according to servo-control system structure drawing establishment servo-control system's mathematical model,the simulation of system were made by applying control system tool box and simulink of Matlab.Moreover,characteristic curves of system were obtained and results of simulation were compared and ansysed.The results indicated that,there are obvious advantages such as convenience,high efficiency and strong reliability to make use of MATLAB to build simulation of system.
计算机仿真目前已在工程技术、科学试验、生产管理、军事领域、财政金融甚至社会科学等领域得到了广泛的应用。计算机仿真所以能得到越来越多的应用，主要具有以下优点：
1)对于复杂的、具有多个随机因素的系统，要用数学模型来作精确的描述往往是十分困难的。或者虽然能建立相应的数学模型，但无法求解。但系统仿真则可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和系统行为构造仿真模型，从而能得到复杂随机系统的解。这是系统仿真能得到广泛应用的最基本原因。
第5章结论………………………………………………………………………………17
附录…………………………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………………19
致谢……………………………………………………………………………………20
第1章 绪论