MATLAB在自动控制系统中应用研究
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MATLAB在自动控制系统中的应用摘要:随着计算机技术的发展和应用,自动控制理论和技术在宇航、机器人控制等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。
不仅如此,自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、经济管理和其它许多社会生活领域中,成为现代社会生活中不可缺少的一部分。
随着时代进步和人们生活水平的提高,建设高度文明和发达社会的活动中,自动控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。
关键词:matlab;自动控制;应用中图分类号:tp273matlab环境(中文名是矩阵实验室)是matlab是math works公司推出的种面向工程和科学运算的交互式计算软件,经过近二十年的发展与竞争、完善,现已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。
matlab有三大特点:一是功能强大,它包括了数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算等功能;二是界面友好、语言自然,matlab以复数矩阵为计算单元,指令表达与标准教科书的数学表达式相近;三是开放性强,matlab 有很好的可扩充性,可以把它当作一种高级的语言去使用,用它容易地编写各种通用或专用应用程序。
1 matlab基本框架和功能2 利用matlab进行系统稳定性判定稳定性是指控制系统在受到扰动信号作用,原有平衡状态被破坏后,经过自动调节能够重新达到平衡状态的性能。
当系统在扰动信号作用(如电网电压波动,电动机负载转矩变化等)下偏离了原来的平衡状态时,若系统能通过自身的调节作用使得偏差逐渐见笑,重新回到平衡状态,则系统是稳定的;若偏差不断增加,即使扰动消失,系统也不能回到平衡状态,则这种系统是不稳定的,这表明稳定性是表征系统在扰动消失后的一种恢复能力,它是系统的一种固有特性。
系统的稳定性又分为两种:一种是大范围的稳定,即初始偏差可以很大,但系统仍然稳定;另一种是小范围稳定,即初始偏差必须在一定限度内系统才稳定,超出了这个限定值则不稳定。
MATLAB在控制系统中的应用结课论文所在学院:信息工程学院专业名称:自动化10-3学生姓名:王思嘉学号代码: 1005130315指导教师:崔新忠MATLAB在控制系统中的应用1 MATLAB简介MATLAB是Mathworks公司开发的一种集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的功能强大、操作简单的优秀工程计算应用软件。
MATLAB不仅可以处理代数问题和数值分析问题,而且还具有强大的图形处理及仿真模拟等功能。
从而能够很好的帮助工程师及科学家解决实际的技术问题。
MATLAB的含义是矩阵实验室(Matrix Laboratory),最初主要用于方便矩阵的存取,其基本元素是无需定义维数的矩阵。
经过十几年的扩充和完善,现已发展成为包含大量实用工具箱(Toolbox)的综合应用软件,不仅成为线性代数课程的标准工具,而且适合具有不同专业研究方向及工程应用需求的用户使用。
MATLAB最重要的特点是易于扩展。
它允许用户自行建立完成指定功能的扩展MATLAB函数(称为M文件),从而构成适合于其它领域的工具箱,大大扩展了MATLAB的应用范围。
目前,MATLAB已成为国际控制界最流行的软件,控制界很多学者将自己擅长的CAD方法用MATLAB加以实现,出现了大量的MATLAB配套工具箱,如控制系统工具箱(control systems toolbox),系统识别工具箱(system identification toolbox),鲁棒控制工具箱(robust control toolbox),信号处理工具箱(signal processing toolbox)以及仿真环境SIMULINK等。
2 MATLAB在控制系统中的应用1.稳定性分析模块:包含系统的稳定性的判断和显示闭环系统所有的特征根,很直观地显示系统的稳定性判断是否正确,快捷地表示已知系统的稳定性。
2.时域分析响应模块:包括了一阶系统、典型二阶系统、任意阶系统三个主要界面,可以通过此界面绘制时域的响应曲线并且计算相关参数。
HEBEINONGJI摘要:“自动控制原理”是电气与自动化专业重要的专业基础课,内容抽象、复杂,学生理解困难。
近年来,随着MATLAB引入自动控制原理教学实践中,利用其强大的数值计算及绘图功能,对教学形式和内容进行了有力改革,从而有效地提高了课堂教学效率及教学效果。
关键词:自动控制原理;MATLAB;教学改革MATLAB在“自动控制原理力课程中的应用研究河北农业大学李珊珊孔德刚弋景刚袁永伟刘江涛引言自动控制原理是电气与自动化专业一门重要的专业技术基础课,该课程在内容体系中起着承上启下的作用。
主要介绍讨论了单输入一单输出定常系统的控制问题,讲授经典控制理论的三大分析方法一时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法,自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容,课程具有一定的抽象性,包含大量的数学内容和复杂计算。
通过学习,要求学生系统掌握自动控制的基本原理和基本方法,并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计。
学生普遍反映难以理解,内容枯燥。
基于此,需要对教学内容及教学方法进行更新,在教学中引入了MATLAB编程语言。
1现代教育理念1.1以学生为中心美国人本主义心理学家卡尔•罗杰斯于1952年提出“以学生为本”的教育理念,主张促进学生个性发展、人格完善和潜能发挥,使他们能够愉快地、创造性地学习和工作。
目前,这种教育理念仍然作为一种基本的现代教育理念。
1.2创新发展的理念党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念,其中创新被置于首位。
随着互联网技术的迅速发展,知识更新换代速度加快,对复合创新型人才的需求愈发强烈,人才培养要摒弃传统的知识灌溉模式,应将教学重点转移到重视研究方法学习、培养创新精神上。
1.3OBE教育理念OBE为"Outcomes-based Education"的缩写,OBE教育理念即基于成果导向的教育理念。
美国的Spady在《基于产出的教育模式:争议与答案》一书中把OBE定义为“关注和组织教育体系,以确保学生在未来的生活中获得实质性的成功经验”。
实验一 典型环节的MATLAB 仿真 一、实验目的1.熟悉MATLAB 桌面和命令窗口,初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。
2.通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性,加深对各典型环节响应曲线的理解。
3.定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验内容① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ;Simulink 图形实现:示波器显示结果:② 惯性环节11)(1+=s s G 和15.01)(2+=s s GSimulink 图形实现:示波器显示结果:③ 积分环节s s G 1)(1Simulink 图形实现:示波器显示结果:④ 微分环节s s G )(1Simulink 图形实现:波器显示结果:⑤ 比例+微分环节(PD )2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G1)、G1(s )=s+2Simulink 图形实现:示波器显示结果:2)、G2(s)=s+1 Simulink图形实现:示波器显示结果:⑥ 比例+积分环节(PI )s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+=1)、G1(1)=1+1/sSimulink 图形实现:示波器显示结果:2)G2(s)=1+1/2s Simulink图形实现:示波器显示结果:三、心得体会通过这次实验我学到了很多,对课本内容加深了理解,熟悉MATLAB桌面和命令窗口,初步了解SIMULINK功能模块的使用方法,加深对各典型环节响应曲线的理解,这为对课程的学习打下了一定基础。
实验二线性系统时域响应分析一、实验目的1.熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法,研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。
2.通过响应曲线观测特征参量ζ和nω对二阶系统性能的影响。
3.熟练掌握系统的稳定性的判断方法。
二、实验内容1.观察函数step( )的调用格式,假设系统的传递函数模型为243237()4641s s G s s s s s ++=++++绘制出系统的阶跃响应曲线?2.对典型二阶系统222()2n n n G s s s ωζωω=++1)分别绘出2(/)n rad s ω=,ζ分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线,分析参数ζ对系统的影响,并计算ζ=0.25时的时域性能指标,,,,p r p s ss t t t e σ。
Matlab在智能控制与自动化系统中的应用案例智能控制与自动化系统是当今科技领域的热门话题,它涉及到诸多领域,如机器学习、人工智能、机器视觉等。
而Matlab作为一种功能强大的编程语言和软件工具,被广泛应用于智能控制与自动化系统中。
本文将探讨Matlab在该领域中的应用案例,并分析其在实际系统中的作用。
一、机器学习机器学习是智能控制与自动化系统中不可或缺的一部分。
通过机器学习算法,系统可以根据大量的数据进行学习和预测,从而实现自动化控制。
Matlab提供了丰富的机器学习工具和函数,极大地简化了机器学习的实现过程。
以图像识别为例,在智能控制与自动化领域,图像识别广泛应用于人脸识别、物体检测等场景。
Matlab中的图像处理工具箱提供了多种图像特征提取、分类和识别的算法,方便了图像识别的实现。
通过Matlab,可以使用深度学习库来实现卷积神经网络(CNN),从而提高图像识别的精确度和效率。
二、控制系统设计控制系统设计是智能控制与自动化系统中的核心任务。
Matlab提供了丰富的工具箱和函数,支持不同领域的控制系统设计,如PID控制、模糊控制、自适应控制等。
以PID控制为例,PID是一种经典的控制算法,在许多自动化系统中得到广泛应用。
Matlab中的控制系统工具箱可以帮助工程师快速设计和调整PID控制器参数,并通过仿真验证控制效果。
此外,Matlab还提供了优化工具箱,可以根据系统的性能指标,自动优化控制器参数,从而进一步提高控制系统的性能。
三、机器视觉机器视觉是智能控制与自动化系统中的另一个重要领域。
它通过图像和视频数据,实现对现实世界的理解和感知。
Matlab提供了强大的图像处理和计算机视觉工具箱,可以帮助开发人员快速实现各种机器视觉应用。
在工业自动化领域,机器视觉可以用于检测和识别产品缺陷,提高生产线的质量和效率。
通过Matlab,可以利用图像处理和模式识别算法,实现对产品的自动检测和分类。
此外,Matlab的计算机视觉工具箱还提供了特征提取和目标跟踪等功能,可用于实现自动导航和无人车等应用。
MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用实验班级:01811001学号:1120100209姓名:戚煜华一、试验目的:1.了解MATLAB 这种强大的数学软件的基本特点和语言特点。
2.掌握控制系统在MATLAB 中的描述。
3.学会用MATLAB 的Control 工具箱中提供的仿真函数,例如连续时间系统在阶跃输入激励下的仿真函数step (),脉冲激励下的仿真函数impulse ()等。
4掌握典型一阶、二阶系统中参数的变化对阶跃响应曲线的影响;5掌握使用MATLAB 绘制控制系统的根轨迹图,并了解附加开环零、极点对闭环根轨迹的影响。
6.学会使用MATLAB 绘制系统频率特性曲线—乃氏图和伯德图,并利用MATLAB 求出系统的稳定裕度。
7.掌握系统串联校正后,开环指标及时域响应指标的变化规律。
二、试验设备:一台装有MATLAB 软件的电脑三、试验内容:2.以传函11)(+=Ts s G 为例,令T=0.1,1,10,绘制其单位阶跃响应曲线,并总结给出惯性时间常数对阶跃响应影响的结论。
T=0.1时的单位阶跃响应曲线T=1时的单位阶跃响应曲线T=10时的单位阶跃响应曲线结论:惯性时间常数T越大,上升时间、调节时间和延迟时间越长。
3.以传函2222)(nn n s s s G ωξωω++=为对象,令n ω=1,ξ=0,0.2,0.5,1,1.5分别绘制阶跃响应曲线。
令ξ=0.7,n ω=0.1,1,10分别绘制阶跃响应曲线,进行ξ、n ω对二阶阶跃响应的影响分析。
n ω=1,ξ=0:分析:n ω=1时,ξ=0,零阻尼,响应为无阻尼等幅振荡;ξ=0.2和0.5,欠阻尼,随着ξ的增大,振荡幅值减小,响应速度变慢,超调量减小;ξ=1,临界阻尼,响应变慢,超调和振荡消失;ξ=1.5,过阻尼,系统没有超调,且过渡时间较长。
综上所述,ξ越大,振荡幅值越小,过渡时间越长;ξ>=1以后,系统没有了超调和振荡。
建筑与技术学院MATLAB在自动控制原理中的应用毕业设计(论文)原件及使用授权说明原始语句我保证我提交的毕业设计(论文)是我在导师指导下所做的研究工作和成果。
据我所知,除文中特别标注和注明的地方外,不包含其他人或组织已发表的研究成果,也不包含我曾用来与其他教育机构取得学位或学历的材料。
对本研究有所帮助和贡献的个人或集体,都做出了明确的解释,并表达了对本文的兴趣。
作者签名:日期:讲师签名:日期:授权说明本人完全理解学校关于毕业设计(论文)收集、保存和使用的规定,即按照学校的要求提交毕业设计(论文)的印刷版和电子版;学校有权保留毕业设计(论文)的印刷版和电子版,并提供目录检索和阅读服务;学校可以采用影印、减印、数字化或其他复制手段保存论文;在不盈利的前提下,学校可以发表论文的部分或全部内容。
签名:日期:目录摘要3第1章绪论41.1研究目的41.2相关研究现状41.3研究方法41.4本次设计的主要容以与目前学术届近一步研究的趋势61. 4. 1本次设计的主要容61. 4. 2目前学术界近一步研究的趋势6第2章开发工具82.1 MATLAB编程语言发展历程与特点82.2 MATLAB系统构成92.3 MATLAB的GUI设计102.4本章小结11第3章控制系统性能指标与校正装置分类123.1控制系统的性能指标123. 2控制系统校正的分类143.3本章小结16第4章基于频率法的控制系统的校正设计174.1基于频率法的串联超前校正174.1.1 串联超前校正网络设计的算法步骤174.1.2超前校正装置的评价184.2基于频率法的串联滞后校正184.2.1串联滞后校正网络设计的算法步骤194. 2. 2滞后校正装置的评价194.3基于频率法的串联超前滞后校正194.3.1串联超前滞后校正网络设计的算法步骤204.3.2滞后超前校正装置的评价204. 4三种校正方法的效果对比214.5本章小结21第5章控制系统的仿真与校正对比分析225.1程序方式225. 1. 1控制系统校正前的性能指标225. 1. 2校正装置的设计过程与其性能指标的仿真285. 1. 3控制系统校正后的性能指标305.2Multisim电路设计仿真方式38第6章设计总结416. 1总结416. 2心得41附英文文献:43摘要本文将讨论如何根据用户对自动控制系统的要求来设计串级补偿器,这具有非常重要的现实意义。
MATLAB在自动控制原理中的应用自动控制原理是控制理论的基础,用于描述和分析各种控制系统的设计和性能。
MATLAB是一种流行的数值计算软件,也是自动控制原理中广泛应用的工具。
MATLAB提供了丰富的功能和库,可以用于建模、仿真、分析和设计各种控制系统。
下面是MATLAB在自动控制原理中的几个常见应用:1. 系统建模和仿真:MATLAB提供了用于建立系统数学模型的工具包,比如Control System Toolbox。
使用这些工具,可以通过数学表达式或传递函数来描述系统的物理特性,然后可以使用模型进行仿真和分析。
仿真可以帮助理解系统的行为,优化系统的控制策略。
2. 控制器设计和分析:MATLAB提供了用于控制器设计和分析的工具包,例如Control System Toolbox和Simulink。
这些工具可以用于设计各种类型的控制器,如比例控制器、积分控制器、微分控制器和PID控制器。
还可以使用频域分析工具来评估控制系统的稳定性和性能。
3.系统优化:MATLAB提供了强大的优化工具箱,可以在给定性能指标的条件下,自动优化控制系统的参数。
可以使用这些工具来优化控制器的参数以达到要求的性能。
同时,还可以将优化问题建模为约束优化问题,并使用优化算法来解决这些问题。
4. 系统辨识:在实际控制应用中,经常需要从实验数据中估计系统的数学模型。
MATLAB提供了用于系统辨识的工具箱,如System Identification Toolbox。
可以使用这些工具来拟合实验数据,并估计系统的参数和结构。
5. 多体动力学仿真:MATLAB还提供了用于多体动力学仿真的工具包,如SimMechanics。
这些工具可以用于建立机械系统的动力学模型,并对系统进行仿真分析。
这在机械、航空航天和机器人等领域的控制系统设计中非常有用。
6. 状态估计和观测器设计:在控制系统中,通常需要估计无法直接测量的状态变量。
MATLAB提供了用于状态估计的工具包,如Kalmanfilter、Luenberger observer等。
自动控制原理MATLAB仿真实验实验指导书电子信息工程教研室实验一典型环节的MA TLAB仿真一、实验目的1.熟悉MATLAB桌面和命令窗口,初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2.通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性,加深对各典型环节响应曲线的理解。
3.定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型,进行仿真和调试。
1.运行MA TLAB软件,在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令,按Enter键或在工具栏单击按钮,即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。
2.选择File菜单下New下的Model命令,新建一个simulink仿真环境常规模板。
图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图3.在simulink仿真环境下,创建所需要的系统。
以图1-2所示的系统为例,说明基本设计步骤如下:1)进入线性系统模块库,构建传递函数。
点击simulink下的“Continuous”,再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。
2)改变模块参数。
在simulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标,即可改变传递函数。
其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数,数字之间用空格隔开;设置完成后,选择OK,即完成该模块的设置。
3)建立其它传递函数模块。
按照上述方法,在不同的simulink的模块库中,建立系统所需的传递函数模块。
例:比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。
4)选取阶跃信号输入函数。
用鼠标点击simulink下的“Source”,将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口,形成一个阶跃函数输入模块。