控制系统仿真课程设计.docx

引言
1.1MATLAB软件简介
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
1.2MATLAB软件组成
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。
开发环境
MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，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。
数学函数库
MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法。从基本算法如加法、正弦，到复杂算法如矩阵求逆、快速傅里叶变换等。
语言
MATLAB语言是一种高级的基于矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。
图形处理系统
图形处理系统使得MATLAB能方便的图形化显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。它包括强大的二维三维图形函数、图像处理和动画显示等函数。
应用程序接口
MATLAB应用程序接口（API）是一个使MATLAB语言能与C、Fortran等其它高级编程语言进行交互的函数库。该函数库的函数通过调用动态链接库（DLL）实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran程序，以及在MATLAB与其它应用程序间建立客户、服务器关系。
1.3SIMULINK简介
SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。
1.4SIMULINK仿真步骤
(1)根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型。
(2)设置模块参数。
(3)设置仿真参数。
仿真时间(Simulationtime)有开始时间(Starttime)和终止时间(Stoptime)两项，连续系统中仿真时间一般从零开始，可以先预设一个仿真的终止时间，在仿真过程如果预设的时间不足，可以即时修改。算法选择(Solveroptions)中计算类型(Type)有可变步长(Variablestep)
和固定步长(Fixed-step)两种，在可变步长和固定步长下还有多种数值计算方法可供选择，关于数值计算方法将在后面作进一步介绍。该栏中经常还要设置的有仿真误差，这有相对误差(Relativetolerance)和绝对误差(Absolutetolerance)两项，系统默认的相对误差是1/1000。选择合适的计算误差，对仿真的速度和仿真计算能否收敛影响很大，尤其在仿真不能收敛时，适当放宽误差可以取得效果，绝对误差一般可取"自动(auto)"。
(4)启动仿真。
(5)观测仿真结果。
在SIMULINK中最常用的观测仪器是示波器(Scope)，这时只要双击该示波器模块就可以打开示波器观察到以波形表示的仿真结果。

图1.1SIMULINK界面

基本原理
2.1史密斯算法
控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为Gp(s)e-ts，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e-ts。

图2.1纯滞后对象控制系统框图
由于系统特征方程中含有纯滞后环节，它会降低系统的稳定性。
史密斯补偿的原理是：在模型精确或者无负荷扰动时,与控制器D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如下图所示：

图2.2补偿后控制系统框图
由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为

可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为

可以看