基于MATLAB的频率特性串联校正

基于MATLAB的频率特性的串联校正I基于MATLAB的频率特性的串联校正集美大学诚毅学院信息工程系自动化专业2011届陈济峰2011926039摘要随着计算机技术的迅猛发展，计算机仿真技术越来越广泛地用于控制系统的分析与设计。将MATLAB应用于《自动控制原理》课程中系统校正部分的内容教学与实验，通过MATLAB基于频率法实现系统的串联校正，可使得课程中复杂的数值计算和波形绘图等问题变得简单直观。本文以频率特性法中的串联校正为例,探讨了MATLAB在控制系统分析设计中的应用,进而明利用这一仿真工具不仅是控制系统分析设计的有利工具,而且可以实现MATLAB与自动控制原理课程的有机结合。关键词MATLAB；频率法；串联校正基于MATLAB的频率特性的串联校正IIThefrequencycharacteristicsoftheseriescorrectionbasedonMATLABChenjifeng2011926039,Automationmajor,2011,Dept.ofInformationEngineering,ChengyiCollegeofJimeiUniversityAbstract:Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,computersimulationtechnology,moreandmorewidelyusedintheanalysisanddesignofthecontrolsystem.MATLABwasappliedtotheprincipleofautomaticcontrolcourseinthecontentoftheteachingandexperiment,thesystemcalibrationpartsbyMATLABbasedonfrequencyseriescorrectionmethodtorealizethesystem,coursemaybecomplicatedproblemssuchasnumericalcalculationandwaveformdrawingbecomessimpleandintuitive.Thisarticleintheseriescorrectionmethodoffrequencycharacteristic,forexample,thispaperdiscussestheapplicationofMATLABincontrolsystemanalysisanddesign,andMingusingthesimulationtoolisnotonlyanadvantagedtooltoanalysisanddesignofcontrolsystem,andcanrealizeorganiccombinationofMATLABandtheprincipleofautomaticcontrolcourse.Keywords:MATLAB；frequencymethod；seriescorrection目录III目录引言.....................................................................1第1章MATLAB简介........................................................51.1MATLAB简介.......................................................51.1.1MATLAB的概况...............................................51.1.2MATLAB产生的历史背景.....................................51.1.3MATLAB的语言特点...........................................6第2章控制系统的波特图设计..............................错误!未定义书签。2.1频率特性串联校正的原理和特点...................................92.2控制系统的优化设计...............................................92.2.1优化设计中的几个概念：....................................102.2.2单纯形法...................................错误!未定义书签。2.2.3性能指标..................................................112.3波特图超前校正设计..............................................122.4波特图滞后校正设计..............................................142.5波特图滞后超前校正设计第3章频率特性串联校正参数优化实例.....................................183.1赛车速度控制系统PID参数优化....................................183.2高速列车的倾斜控制系统PID参数优化...............................21结论....................................................................25引言1引言由于其原理简单、技术成熟，在实际应用中较易于整定,因此被广泛的应用在工业控制。目前,随着仿真软件和计算机技术的快速发展,仿真技术已经应用到工程分析设计和教学实验的各个领域.MATLAB仿真软件自1984推出以来,其强大的数值计算功能和仿真分析功能已经引起强烈的关注,经过多年的发展,已成为适合多学科、多工作平台的大型科技应用软件.它包含了许多专用工具箱,可满足用户的不同需求,如科学计算、动态仿真、系统控制、图形处理、信号处理、数据统计等.利用MATLAB软件丰富的功能函数、灵活的编程和调试手段以及强大的人机交互和图形输出功能,可以实现对控制系统直观和方便的分析和设计.本文以频率特性法中的串联超前校正为例,探讨了MATLAB在控制系统分析设计中的应用,进而说明利用这一仿真工具不仅是控制系统分析设计的有利工具,而且可以实现MATLAB与自动控制原理课程的有机结合。由于其原理简单、技术成熟，在实际应用中较易于整定,因此被广泛的应用在工业控制。本文包括3部分内容：（1）介绍MATLAB仿真软件。（2）介绍控制系统波特图设计的原理、特点、优化概念和方法以及性能指标。（3）介绍频率特性串联校正参数优化设计实例。引言5第1章MATLAB简介1.1MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。1.1.1MATLAB的概况当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。1.1.2MATLAB产生的历史背景在70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。1983年春天，CleveMoler到Standford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师JohnLittle.JohnLittle敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年，他和CleveMoler,SteveBangert一起，用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，正式将MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。引言6在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类。一类是数值计算型软件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，Mathematica，Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理，可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科，多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争，MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB4.0版，1995年推出4.2C版（forwin3.X）1997年推出5.0版。1999年推出5.3版。MATLAB5.X较MATLAB4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0或IE4.0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地浏览。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。1.1.3MATLAB的语言特点一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同