MATLAB实习报告

计算机仿真课程实习报告电气信息工程学院计算机仿真课程实习报告课题名称：基于MATLAB的过程控制系统的设计专业：自动化姓名：曾涛班级学号：08级1班33号指导教师：刘英晖成绩：二○一一年六月二十四日计算机仿真课程实习报告目录1MATLAB简介.....................................................................................................................11.1MATLAB的特点......................................................................................................11.2MATLAB的功能......................................................................................................11.3MATLAB语言的优点.............................................................................................22计算机仿真课程实习的目的.............................................................................................23过程控制系统的设计.........................................................................................................23.1过程控制系统的性能分析......................................................................................23.2PID控制器的设计....................................................................................................33.2.1PID控制器的基本原理.................................................................................33.2.2PID控制器参数的整定.................................................................................53.2.3仿真及结果分析............................................................................................73.3Smith预估补偿器的设计.........................................................................................83.3.1Smith预估补偿器的基本原理......................................................................83.3.2仿真及结果分析............................................................................................84计算机仿真课程实习的心得体会.....................................................................................95参考文献............................................................................................................................10计算机仿真课程实习报告1MATLAB简介MATLAB是美国mathworks公司推出的一个高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。MATLAB的推出得到了各个领域的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。由各个领域的专家学者相继推出了MATLAB工具箱，其中控制类的主要有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理等。借助MATLAB的这些工具箱，人们可直观、方便地进行分析、计算及设计工作，从而大大节省了时间，并能很快地设计出更多的解决方案来确保未来更多的技术需要。MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成。20世纪七十年代后期时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。1.1MATLAB的特点①．功能强大的数值运算②．语言简洁紧凑③．先进的资料视觉化功能④．开放及可延伸的架构⑤．丰富的程式工具箱⑥．移植性和开放性好⑦．语句简单，内涵丰富⑧．高效方便的矩阵和数组运算⑨．方便的绘图功能1.2MATLAB的功能MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。计算机仿真课程实习报告21.3MATLAB语言的优点用MATLAB编程运算与人进行科学计算思路和表达方式一样，所以用MATLAB进行运算和在草稿纸上演算数学题一样方便。MATLAB既像一种万能的，科学的数学运算“演算纸”，又像一种万能的计算器一样方便快捷。MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，即使用户不懂C或FORTRAN这样的程序设计语言，也可使用MATLAB轻易地再现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，从而设计出功能强大，界面好，稳定可靠的程序，编程效率和计算效率极高。2计算机仿真课程实习的目的（1）、熟悉MATLAB语言的使用，学习并掌握程序的编写和调试过程。（2）、采用MATLAB完成控制系统的建立、分析和设计仿真，了解和掌握MATlAB对控制系统的分析和设计的原理。3过程控制系统的设计3.1过程控制系统的性能分析原系统simulink仿真模型框图：图3-1计算机仿真课程实习报告3010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4单位阶跃响应曲线时间输出图3-2延迟环节对系统性能的影响：当过程控制系统存在大纯延迟环节时，会使系统的闭环特征方程式包含纯延迟因子，这就必然导致系统的稳定性降低。特别是，当延迟时间足够长时，还可能造成系统的不稳定。结论：由图象可知，原系统超调量较大，调节时间长，稳定性较差，需要通过设计使系统响应更加迅速。3.2PID控制器的设计3.2.1PID控制器的基本原理PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。计算机仿真课程实习报告4PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是：比例环节-来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。那么它在10°C的时候会输出100%，在15°C的时候会输出50%，在19°C的时候输出10％，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。积分环节-来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。微分环节-来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。计算机仿真课程实习报告5根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差)()()(tctrte，将偏差的比（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtuDtIP或写成传递函数)11()()()(STSTKsEsUsGDIP式中KP——比例系数TI——积分时间常数TD——微分时间常数3.2.2PID控制器参数的整定参数整定方法：1）置调节积分时间T到最大值（T=∞），微分时间T`为零（T`=0），比例带置较大值，使控制系统投入运行。2）待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅震荡，即所谓的临界震荡过程。记录下此时的比例带，并计算两个波峰之间的Tcr(临界震荡周期)。Tcr=12.43）利用比例带和Tcr值，按经验公式计算整定参数。图3-3计算机仿真课程实习报告60102030405060708090100-0.200.20.40.60.811.21.41.6图3-4KP=1/（1.67*1.1335）=0.528KI=KP/（0.50*Tcr）=0.085KD=KP/（0.125*Tcr）=0.341参数结果：图3-5计算机仿真课程实习报告73.2.3仿真及结果分析PID控制系统simulink仿真模型框图：图3-6PI与PID控制系统的对比图象：010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4时间输出PI与PID环节对比PIPID图3-7结论：由两者的对比图像可分析出，PID控制器相比于PI控制器，引入有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，在调节时间上明显变短，并且系统的稳定性能也更好，所以PID控制器的优势更明显。计算机仿真课程实习报告83.3Smith预估补偿器的设计3.3.1Smith预估补偿器的基本原理预先估计出被控过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对纯滞后过程中特性进行补偿，力图将被控延迟时间的被控量提前送入调节器，因而调节器能提前动作，这样就通过补偿装置