基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计设计.docx

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基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计设计

基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计设计

一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。

）

工作基础：

了解计算机控制系统课程涉及的基本内容，熟练使用MATLAB7软件。

研究条件：

基于MATLAB7的GUI（图形用户接口）程序设计。

应用环境：

基于MATLAB7的计算控制系统课程图形化的仿真平台的设计。

工作目的：

熟练掌握MATLABM文件的编写。

掌握计算机控制系统课程所涉及的最小拍有纹波、最小拍无纹波系统以及大林算法等基本内容。

完成基于MATLAB7的GUI仿真平台程序M文件设计。

二、参考文献

[1]邵年华.水文时间序列几种预测方法比较研究[D].西安理工大学2010.

[2]王莹.基于MATLAB的永磁风力发电机动态仿真[D].大连理工大学2009.

[3]李兴毓.基于MATLAB的CFG桩复合地基优化设计研究[D].武汉理工大学2009.

[4]黄师娟.基于小波分析的时间序列预测模型及其应用研究[D].西安理工大学2009.

[5]张宇.嵌入式电脑横机可视化数据处理系统研究[D].东华大学2009.

[6]吕辉榜.基于MATLAB快速控制原型的磁悬浮控制系统研究[D].武汉理工大学2008.

[7]朱会.基于MATLAB的旋风分离器内气固两相流场的数值模拟[D].北京化工大学2007.

[8]丘允阳.嵌入式GUI系统的研究与实现[D].电子科技大学2007.

[9]韩雄振.基于统计学的预测结构域间相互作用方法的研究[D].吉林大学2006.

[10]王震.嵌入式GUI构件库的设计与实现[D].浙江大学2006.

三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。

）

1、掌握大林算法、最小拍有纹波、最小拍无纹波系统的算例仿真。

2、利用MATLAB7中的GUI工具箱完成仿真环境的平台框架搭建。

3、对任一用户设定被控对象依据算法以及调节器的具体设定参数输出系统运行结果。

4、能够对实验平台的输出结果做出效果评价。

指导教师（签字）

年月日

审题小组组长（签字）

年月日

天津大学仁爱学院本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称

基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计

系名

信息工程系

专业

自动化

学生姓名

杜蓉

指导教师

扈书亮

1、课题来源及意义

计算机控制系统（ComputerControlSystem，简称CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。

辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。

与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。

被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。

控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

控制系统仿真是建立在控制系统模型基础之上的控制系统动态过程试验，目的是通过试验进行系统方案论证，选择系统结构和参数,验证系统的性能、指标等。

如果这种试验是在计算设备上实现的，就称为计算机仿真。

基于MATLAB7的GUI（图形用户接口）程序设计，实现对计算机控制系统仿真平台的设计。

二、国内外发展现状

计算机控制系统虽然控制规律灵活多样，改动方便；控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制；能够实现数据统计和工况显示，控制效率高；控制与管理一体化，进一步提高自动化程度。

但是由于经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数线性系统，它只适用于单输入单输出控制系统。

系统的数学模型采用传递函数表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法。

现代控制理论主要采用最优控制、系统辨识和最优估计、自适应控制等分析和设计方法。

而系统分析的数学模型主要用状态空间描述。

随着要研究的对象和系统越来越复杂，依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系统的控制问题：

（一）不确定性的模型传统控制是基于模型的控制，模型包括控制对象和干扰模型。

传统控制通常认为模型是已知的或经过辨识可以得到的，对于不确定性的模型，传统控制难以满足要求。

（二）高度非线性在传统的控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性控制方法可供使用，但总的来说，到2010年为止,非线性控制理论还很不成熟，有些方法又过于复杂，无法广泛应用。

（三）复杂的任务要求在传统的控制系统中，控制任务往往要求输出量为定值或者要求输出量跟随期望的运动轨迹，因此控制任务比较单一。

但过于复杂的控制任务是传统的控制理论无能为力。

三、研究目标

基于MATLAB7的GUI（图形用户接口）程序设计，实现对计算机控制系统仿真平台的设计。

四、研究内容

主要研究基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计。

了解计算机控制系统课程涉及的基本内容，熟练使用MATLAB7软件以及基于MATLAB7的GUI（图形用户接口）程序设计。

并基于MATLAB7的计算控制系统课程图形化的仿真平台的设计。

五、研究方法与手段

理论基础：

计算机控制系统，自动控制原理，MATLAB辅助控制系统设计与仿真，电气控制与可编程控制器的原理与应用。

研究方法与手段：

充分了解MATLAB7的计算控制系统课程图形化的仿真平台的设计，熟练使用MATLAB7软件以及基于MATLAB7的GUI（图形用户接口）程序设计。

熟练掌握MATLABM文件的编写。

掌握计算机控制系统课程所涉及的最小拍有纹波、最小拍无纹波系统以及大林算法等基本内容。

完成基于MATLAB7的GUI仿真平台程序M文件设计。

六、进度安排

1、2014.12.12—2015.03.05查找资料，通过书籍和网络了解基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的基本原理及研究方法，完成开题报告。

2、2015.03.06—2015.03.31熟练掌握MATLAB7的计算控制系统仿真平台的设计，以及基于MATLAB7的GUI（图形用户接口）程序设计。

3、2015.04.01—2015.04.16完成基于MATLAB7的计算控制系统仿真平台的设计。

4、2015.04.17—2015.05.17对仿真结果进行分析，并得出结论。

5、2015.05.17—2015.06.05撰写论文，准备答辩。

七、主要参考文献

[1]邵年华.水文时间序列几种预测方法比较研究[D].西安理工大学2010.

[2]王莹.基于MATLAB的永磁风力发电机动态仿真[D].大连理工大学2009.

[3]李兴毓.基于MATLAB的CFG桩复合地基优化设计研究[D].武汉理工大学2009.

[4]黄师娟.基于小波分析的时间序列预测模型及其应用研究[D].西安理工大学2009.

[5]张宇.嵌入式电脑横机可视化数据处理系统研究[D].东华大学2009.

[6]吕辉榜.基于MATLAB快速控制原型的磁悬浮控制系统研究[D].武汉理工大学2008.

[7]朱会.基于MATLAB的旋风分离器内气固两相流场的数值模拟[D].北京化工大学2007.

[8]丘允阳.嵌入式GUI系统的研究与实现[D].电子科技大学2007.

[9]韩雄振.基于统计学的预测结构域间相互作用方法的研究[D].吉林大学2006.

[10]王震.嵌入式GUI构件库的设计与实现[D].浙江大学2006.

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

指导教师（签字）

年月日

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

审题小组组长（签字）

年月日

摘　　要

《计算机控制系统》是自动化专业的一门必修课程,其研宄对象为线性或近似线性的离散系统。

在研宄该系统物理模型过程中,首先需要解决其数学描述、模型建立以及分析工具的问题,但在实际教学过程中,发现学生较难理解计算机控制理论的数学模型——脉冲传递函数,所以迫切的需要增加实验环节,将枯燥的理论知识进行可视化,增加学生对计算机控制理论的感性认识,提高学习效果。

然而搭建计算机控制系统的实验平台,需要购买特定的实验仪器,这将大大地增加教学成本。

但随着科学技术水平的发展,一种综合了计算机技术、软件工程技术、数字信号处理技术的仿真技术的出现,提供了新的解决途径。

可以运用计算机强大的计算功能和图像处理能力,建立起计算机控制虚拟实验系统完成教学实验。

计算机控制虚拟实验系统选用了MATLAB作为开发环境,并结合使用了控制设计与仿真工具包,利用该软件在图形化编程方式以及交互式仿真方面的优势,完成虚拟实验系统的开发。

该虚拟实验系统配置要求低、操作简单容易,并完全配合《计算机控制系统》的教学内容,其展示的结果和曲线都是根据输入的参数计算获得,在可视性、互动性和科学性方面具有突出优势。

现已开始应用于教学当中,并收到了良好的效果。

因此,利用计算机为本科教学设计和开发一个合适和综合的计算机控制理论虚拟教学实验系统是具有实际意义的,并且可作为大学实验室的未来发展趋势。

关键词：

计算机控制系统；脉冲传递函数；MATLAB；

ABSTRACT

Thecourseof"ComputerControlSystem",arequiredcourseforElectricalEngineer,isaboutlinearandquasi-lineardiscretesystem.Theprimeproblemstobesolvedduringtheresearchonthephysicalmodelofthissystemareitsmathematicalnarrative,modelbuildingandanalyticaltools.Inpractice,itisobservedthatstudentsfindithardtomasterthemathematicalmodelofcomputercontroltheory,namely,thepulsetransferfunction.Henceitisessentialtovisualizetheabstracttheoriesthroughexperiments,andthusdeepenstudent'sunderstandingofcomputercontrolsystem.However,Buildingthecorrespondingplatformoftheseexperimentsrequiressomespecificinstruments,whichgreatlyincreasesthecostofinstruction.Thankstothedevelopmentofscienceandtechnology,avirtualinstrumenttechnologythatcombinesthetechnologiesofcomputerscience,digitalsignalprocessing,softwareengineeringandstandardbus,hasprovidedanewsolution.Wecouldtakeadvantageofthepowerfulcomputerandimageprocessingcapabilitiesofcomputers,andusethemtobuildupavirtualexperimentsystemofcomputercontroltheoryforinstructionaluse.

ThevirtualexperimentalsystemofcomputercontrolsystemhasMATLABasitsdevelopmentenvironmentwiththecombinedusageofcontroldesignandsimulationtoolkit,andusesthissoftware'sadvantageongraphicalprogrammingtocompletethevirtualexperimentdevelopmentofthesystem.

Thisvirtualexperimentalsystemrequireslowconfiguration,anditistoeasyoperate.Moreover,itisfullycompatiblewiththecoursecoveredby"ComputerControlSystem".Itsoutputresultsandcurvesareallbasedoninputparameters,andithasremarkableadvantagesonvisibility,interactionandscientificreliability.Thesystemhasalreadybeenappliedintoinstructions,andhasreceivedsatisfyingfeedback.Therefore,itispracticallymeaningfultodesignanddevelopavirtualexperimentsystemof"ComputerControlSystem"fortheundergraduates.Thisisthedirectionoffuturedevelopmenttotheuniversities'laboratory.

Keywords:

ComputerControlSystem；PulsetransferFunction;MATLAB

第一章绪论1

1.1题目背景、研究意义1

1.1.1计算机控制理论的发展1

1.1.2计算机控制系统课程教学MATLAB仿真的特点1

1.2国内外相关研究情况2

1.3本文的主要内容和结构安排3

第二章基于MATLAB的控制系统仿真5

2.1MATLAB简介5

2.1.1MATLAB工作环境6

2.1.2变量和字符串7

2.1.3基本运算符号和常用函数7

2.1.4向量、矩阵与数组8

2.1.5M文件的编辑与运行9

2.1.6关系与逻辑运算、符号运算和M控制命令10

2.2MATLAB的绘图功能13

2.2.1二维图形13

2.2.2三维图形14

第三章基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计15

3.1主界面分析15

3.2直接数字控制系统的脉冲传递函数15

3.3最小拍有纹波系统的仿真16

3.4最小拍无纹波24

3.5大林算法30

第四章总结和展望36

4.1研究内容总结36

4.2工作展望36

参考文献37

外文资料

中文翻译

致谢

第一章绪论

1.1题目背景、研究意义

1.1.1计算机控制理论的发展

在现代工业控制体系中，随着工业产品设计的复杂化、多样性、人性化，使得人们对生产控制系统的要求更加复杂化，准确化，高效化，然而传统连续化控制方法己无法满足系统控制要求。

随着计算机技术的发展，计算机的成本大幅度降低，另一方面计算机控制系统理论的分析方式和设计方法正不断地日臻完善，因此运用计算机进行机械系统的离散控制方法逐渐代替传统连续化控制方法成为未来发展方向。

计算机控制系统理论是以脉冲传递函数为基础，对线性或近似线性的数字离散控制系统进行分析与设计的理论。

早在上世纪50年代，己经形成了采样控制系统的理论，随着计算机控制技术的推广和应用，人们不断总结和提高，逐步形成了较完善的计算机控制系统理论。

其发展过程中几个重要的成果有，1948年Bell实验室工作的香农（C.shanone）证明了离散系统采样值复现原有信号的条件，随后发表了专著《通信的数学理论》，创立了信息论;1947年MITRadiationLaboratory的霍尔维兹（W.Hurewicz）研究SCR-584雷达控制系统的过程中，提出通过引入了一种变换方法进行离散序列的处理方法，大大简化了运算步骤，进而发展起了脉冲控制系统理论;1958年美国的朱利（（E.I.Jury）发表了《数字控制系统》（Sampled-DataControlSystem）的论文，建立了数字控制以及数字信号处理的基础。

上世纪70年代，随着美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念以及美国初步建成ARPA计算机网络，使得计算机控制理论在更多领域的应用获得了成功。

1.1.2计算机控制系统课程教学MATLAB仿真的特点

计算机控制技术是计算机技术与自动控制理论、自动化技术以及检测与传感技

术、通信与网络技术紧密结合的产物,主要研究应用计算机技术和控制理论设计出满足工业生产过程需求的计算机控制系统。

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。

控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。

控制系统仿真是建立在控制系统模型基础之上的控制系统动态过程试验,目的是通过试验进行系统方案论证,选择系统结构和参数,验证系统的性能指标等。

如果这种试验是在计算设备上实现的,就称为计算机仿真。

MATLAB它具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB的控制系统工具箱提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。

计算机控制理论不仅形象直观地表现教学内容借助MATLAB仿真较强的交互性和丰富的表现力,输出各种参数、曲线和图表,还使得原来抽象、难以理解的各种控制算法变得生动形象。

对于实际控制系统,利用其提供的各种模块搭建数学模型,可以在示波器中迅速显示出精确的响应曲线,有利于观察系统的输出和中间过程,并同时得到各种信号的数值解,使得课程内容更简洁直观地表达出来,加深了学生对知识点的理解。

同时，“计算机控制技术”课程内容涵盖众多的数学理论和运算,具有绘图工作量大、概念抽象、理论与实践密切结合等特点。

从教学和创新人才培养的角度上讲,由于课程中的很多作业往往需要复杂的数值计算,笔算解答较为繁琐甚至无法实现,而利用MATLAB快速精确地对控制系统进行仿真设计、调试和分析,避免了教学中将大量精力停留在复杂的数学表达式上,有助于学生理解抽象的概念,理清解题思路和方法,接收到更多的信息,有效地增大课堂容量,在和谐和充满启发的教学氛围中,提高课程的实践效果和效率。

1.2国内外相关研究情况

计算机控制系统是自动化专业的一门重要的专业基础课，是学习和掌握控制理论与自动化技术的基础课程。

学生在学习“计算机控制系统”课程的过程中，通常需要完成多个实验。

由于实验硬件电路较复杂，学生初次做实验时不但存在着一定的盲目性，而且容易造成硬件电路的损坏。

因此，有必要在实验前使学生对实验原理、控制系统模型、可调参数等有足够的了解。

基于MATLAB的计算机控制系统虚拟实验平台的开发是为了此目的而设计的。

本文介绍了该实验平台主要内容、表现形式、软件设计方法及操作流程。

系统数字仿真是一门新兴学科，是计算机科学、计算数学、控制理论和专业应用技术等学科的综合。

生产和科学技术的发展使完成某种特定功能的各事物相互之间产生了一定的联系，形成各种各样的系统。

仿真是对真实事物的模拟，它形成于40年代二战末期对火炮及飞行控制动力学系统的研究，1948年电子微分分析器在美国的BELL实验室的研制成功开创了计算机仿真的新纪元。

50年代至60年代初对洲际导弹和宇宙飞船姿态及轨道控制动力学的研究，促进了混合仿真技术的发展。

70年代，系统工程被广泛用于社会、经济、生态等非工程系统，促进了离散事件系统仿真技术的发展。

仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术、网络技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态试验研究的一门学科综合性技术。

控制系统仿真是系统仿真技术在控制领域的应用。

其重要作用可以概括为如下几点：

（1）在系统尚未建立之前利用仿真技术可以论证系统方案及其可行性，可以避免许多不必要的挫折并为系统设计打下扎实的基础；

（2）在系统设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统的模型，进行模型验证与模型简化并进行最优化设计；

（3）在系统建成后，利用仿真技术可以分析系统工作的状况，寻求系统改进的途径，以及找出最佳运行参数，尤其对于复杂控制系统，要采用智能的高级控制算法，而每一种算法在建立前是不成熟的．这就需要采取仿真技术改进算法，并进行优化设计。

控制系统仿真经历了物理模型仿真，模拟计算机仿真和数字计算机仿真三个过程。

物理模型仿真是以物理过程相似、几何尺寸相似及环境条件相似为基础的仿真。

数学仿真是以综合参数比例相似及信息规律传递相似为基础的仿真。

物理仿真的优点是能最大限度地反映系统的物理本质，具有直观性及形象化的特点，它能将模型中发生的综合过程在模型中全面反映出来。

但它的缺点是为建造物理模型所需的费用高、周期长、技术复杂等。

而数学仿真不仅经济、方便、而且通用性强，在一定程度上满足了小系统或简单系统的仿真。

但是对于复杂的系统，数字仿真的局限性就明显表现出来，首先它建立的数学模型描述能力有局限性，它不能或难以描述复杂系统的某些问题或现象：

它所使用的仿真方法主要是近似的数值解法，缺少知识推理、逻辑判断和学习训练等智能特性。

因此，把仿真技术和人工智能技术相结合发展智能仿真技术，成为仿真技术发展的一个新的焦点。

当前仿真研究的前沿课题主要有：

仿真与人工智能技术的结合，分布式仿真与仿真模型的并行处理，图形与动画仿真，建模环境与仿真支持系统等。

计算机控制系统虽然控制规律灵活多样，改动方便；控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制；能够实现数据统计和工况显示，控制效率高；控制与管理一体化，进一步提高自动化程度。

但是由于经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数线性系统，它只适用于单输入单输出控制系统。

系统的数学模型采用传递函数表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法。

现代控制理论主要采用最优控制、系统辨识和最优估计、自适应控制等分析和设计方法。

而系统分析的数学模型主要用状态空间描述。

随着要研究的对象和系统越来越复杂，依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系统的控制问题：

（一）不确定性的模型传统控制是基于模型的控制，模型包括控制对象和干扰模型。

传统控制通