基于matlab的計算機控制系統仿真平臺的設計畢業設計論文-資料下載頁

【導讀】研究條件：基于MATLAB7的GUI程序設計。應用環境：基于MATLAB7的計算控制系統課程圖形化的仿真平臺的設計。統以及大林算法等基本內容。完成基于MATLAB7的GUI仿真平臺程序M文件設計。[1]邵年華.水文時間序列幾種預測方法比較研究[D].西安理工大學2020.[2]王瑩.基于MATLAB的永磁風力發電機動態仿真[D].大連理工大學2020.[5]張宇.嵌入式電腦橫機可視化數據處理系統研究[D].東華大學2020.[8]丘允陽.嵌入式GUI系統的研究與實現[D].電子科技大學2020.并根據課題性質對學生提出具體要求。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執行裝置等。器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設施、家用電器和兒童玩具等。與管理一體化，進一步提高自動化程度。采用傳遞函數表示，系統的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法。

　　

【正文】 在圖 32 中，設 D(z)為數字控制器， ??zW1 為包括零階保持器在內的廣義對象的脈沖傳遞函數。 ??zWB 為閉環脈沖傳遞函數， Y(z)為輸出新號的 Z 變換， X(z)為輸入新號的 Z 變換。由數字控制系統理論可知，其閉環脈沖傳遞函數為 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?zWzD zWzDzW B 111 ?? （ ） 偏差脈沖傳遞函數 ? ? ? ?? ? ? ?zWzX zEzW Be ??? 1 （ ） 由式（ ）和式（ ）可得出數字控制器 D(z)為 ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?zWzW zWzWzW zWzWzW zWzD eeeBBB 111 11 ????? （ ） 由式（ ）中，廣義對象的脈沖傳遞函數 ??zW1 是保持器和被控對象所固有的，一旦被控對象被確定， ??zW1 是不能改變的。但是，偏差脈沖傳遞函數 ??zWe是隨不同的典型輸入而改變的， ??zWB 則根據系統的不同要求來決定。因此，當??zWB 、 ??zW1 、 ??zWe 確定后，便可根據式（ ）求出數字控制系統的脈沖傳遞函數， 它是設計數字控制器的基礎。 脈沖傳遞函數 D(z)求出之后，需要校核一下，他在物理上是否能夠實現。如果在物理上是可實現的，下一步工作便是根據式（ ）編制實現 D(z)的控制算法程序。如果 D(z)在物力上不能實現，則需要重新設計數字控制器 D(z)。判斷D(z)的控制算法程序。如果 D(z)在物理上不能實現，則需要重新設計數字控制器D(z)。判斷 D(z)在物理上能夠實現的條件是 D(z)分母的 z 的最高階次大于或等于D(z)分子的 z 的最高階次 m，即 n ≥m。否則就會出 現要求數字控制器有超前輸出，這是無法實現的。例如： ???tx??zXT??te T??zE ??zD ??zU??zWB??zW1??sW1T ??zY??tyT零階保持器 被控對象 ? ?北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 18 ? ? ? ?? ? 21212 111?????????????zzzzzzzzEzUzD mnmn ＜,2,1 ?? 對上式進行交叉相乘，得出 ? ? ? ? ? ? ? ?zEzzzUzz 2121 1 ???? ???? 對上市兩邊進行 Z 反變換，得出 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2121 ???????? kekekekuku 或寫成 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?111 ??????? kekekekuku 上式表明，計算機（數字控制器）本次采樣輸出值 u(k)與下次采樣偏差 e(k+1)有關。由于在本次采樣期間無法得到下次采樣的偏差值 e(k+1),算不出 u(k)，計算機無法工作。如果滿足 n≥m條件，類似上式的 e(k+1)項，將不會出現。 最小拍有紋波系統的仿真 在自動調節系統中，當偏差存在時，總是希望系統能盡快地消除偏差，使輸出跟隨輸入變化；或者在有限的幾個采樣周期內即可達到平衡。最小拍實際上是時間最優控制。因此，最小拍計算機控制系統的任務就是設計一個數字調節器，使得 系統達到穩定的時候所需要的采樣周期最小，而且系統在采樣點的輸出值能準確地跟蹤輸入信號，不存在靜差。對任何兩個采樣周期中間的過程則不作要求。在數字控制過程中，一個采樣周期稱為 1 拍。 最小拍控制系統數字控制器的方法步下： （ 1）根據被控對象的數字模型求出廣義對象的脈沖傳遞函數 W1（ z） 。 （ 2）根據輸入信號類型，確定偏差脈沖傳遞函數 We（ z）； （ 3）將 W1（ z）、 We（ z）代入，進行 Z 變換運算，即可求出數字控制器的脈沖傳遞函數 D（ z)。 （ 4）根據結果，求出輸出序列及畫出其響應曲線等。 下邊結合例子介紹 D（ z）的設計方法。 設最小拍計算機控制系統，被控對象的傳遞函數位 2() (1 )W d s ss? ? ， 采樣周期 T=，采用零階保持器，試著設計在單位速度輸入時的最小拍數字控制器。 北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 19 根 據 圖 31 可 寫 出 該 系 統 的 廣 義 對 象 脈 沖 傳 遞 函 數 ? ? ? ? ? ? ? ?21 2 411 1 0 .5 2sT sTeW s Z Z es s s s s? ??????? ? ? ????? ???? ?? ? ? ? ?? ?? ?? ?111112121113 6 7 1 6 1111121?????????????????????????????zzzzzezzTzzT 由于輸入 ,)( tt ?? 得 ? ? ? ?211 ??? zzWe 所以，由式（ ）可寫出控制器的脈沖傳遞函數 ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?? ?? ?11111 71 36 ?? ???? ????? zz zzWzW zWzD zee 仿真過程如下： 設定被控對象傳遞函數： 圖 33 被控對象數學模型參數設定 圖 33 為最小拍有紋波 算法下被控對象模型設定窗口，采用 s 平面傳遞函數的形式進行輸入，其中分子 /分母為傳遞函數上關于 s 項的系數，延遲時間為滯北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 20 后環節的時間長度。系統中，根據設定的參數首先要將其轉化為零極點形式，再將其根據前面所設定的采樣周期，進行離散化，同時要考慮到系統中的零階保持器，構成計算機控制系統的廣義脈沖傳遞函數。 采樣周期參數設定如下： 圖 34 最小拍有紋波算法下采樣周期設定窗口 圖 34 最小拍有紋波算法下采樣周期設定窗口。用于完成采樣周期的設定，使得系統能夠根據所設定的采樣周期實現被控對象的數 學模型以及調節器模型的離散化，并計算系統的輸出。 香農時域采樣定理是采樣周期選擇的基本依據，其是系統離散化的理論基礎 ,定理給出了從采樣的離散信號恢復到原來的連續信號所必須的最低頻率 ,是分析和設計離散系統的重要理論依據。 計算機控制采樣系統如何將連續信號 x(t)經過采樣器轉換成 c*(t)后 ,還能恢復到原有信號其關鍵在于采樣時間的選擇。如果采樣間隔太小 ,則對定長的時間系統來說其數字序列就很長 ,計算工作量迅速增加 。若釆樣間隔過大 ,則可能丟失有用信息 ,將其中高頻信號誤認為某種相應的低頻信號 ,出現所謂 的混疊現象。香農時域采樣定理給出了信號恢復的條件。定理表述如下 : 如果被采樣的連續信號 x(t)的最大頻率 fm,且采樣開關的采樣頻率 fs 大于等于 2fm,則 x*(t)通過理想濾波器后 ,可以不失真地恢復原信號 x(t)。 控制器設定窗口： 北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 21 圖 35 最小拍有紋波算法下控制器 D（ z） 的設定 圖 35 為 最小拍有紋波算法下控制器 D(z)的設定，分別對其分母分子進行賦值。這里令控制器模型的 D(z)的分子為 [ ],分母為 [1 2 1]。 多項式形式的模型顯示： 圖 36 最小拍有紋波算法下的模型顯示 北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 22 系統設計設計窗口： 有紋波，速度函數 t 輸入 圖 37 最小拍有紋波算法的速度 函數 t 輸入 下的系統設計 單位斜坡響應輸出曲線： 圖 38 最小拍有紋波算法下的單位斜坡響應輸出曲線 北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 23 局部放大后： 圖 39 最小拍有紋波算法下的單位斜坡響應輸出曲線的局部放大圖 采樣點間采集數目 :4 圖 310 為最小拍有紋波算法下的采樣點間采集數目： 4 局部放大（采樣點間具有 采集量） 北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 24 圖 311 最小拍有紋波算法下的采樣點間采集數目： 4的局部放大圖 從圖中可以看出，當系統為單位速度輸入時，經過兩拍以后，輸出量完全等于輸入采樣值，即 y(k)=x(k)。但是在各個采樣點之間還存在著一定的偏差，即存在著一定的紋波。 當改為階躍輸入時： 圖 312 最小拍有紋波算法下的輸入為階躍函數的運行圖 輸出序列為 y(0)=0,y(1)=2, y(2)=1, y(3)=1, y(4)=1… 。其輸出響應曲線如上圖北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 25 所示。由圖可知，按照單位速度輸入設計的最小 拍系統，當為單位階躍輸入時，經過兩個采樣周期之后，最小拍有紋波控制器的調節器輸出大致能夠保持穩定狀態，即達到 y(k)=x(k)。 但是當 k=1 的時候，將會產生百分之一百的超調量。 一般地說，盡管最小拍系統具有結構簡單、設計方便和易用微機實現等優點，但也存在有一些缺點。如對輸入信號類型的適應性較差，對系統參數變化很敏感，出現隨機擾動時系統性能變壞，只能保證采樣點偏差為零或保持恒定值，不能確保采樣點之間的偏差為零保持恒定值，以及受飽和特性限制，其采樣頻率不宜太高等。 為保證閉環系統穩定，其閉環脈沖傳遞函數 WB(z)的極點應全部在單位圓內。若廣義對象 W1(z)中有極點存在，則應用 D(z)或 We(z)的相同零點來抵消。但用 D(z)來抵消的零點是不可靠的，因為 D(z)中的參數由于計算上的誤差或漂移會造成抵消不完全的情況，這將有可能引起系統的不穩定，所以 W1(z)的不穩定極點常由 We(z)來抵消。 We(z)增加零點的后果是延遲了系統除偏差的時間。W1(z)中出現的單位圓上（或圓外）的零點，則既不能用 We(z)中的極點來抵消，因為 We(z)已選定為 z1 的多項式，沒有極點，也不能用增加 D(z)中的極點來抵消，因為 D(z)不允許有不穩定極點，這樣會導致數字控制器 D(z)的不穩定。而對于 W1(z) 中包括純滯 后 環節 z1的多次方時，也不能在 D(z)的分母上設備純滯后環節來抵消 被控對象 的純滯后環節，因為經過通分之后， D(z)分子的 z 的階次m 將高于分母 z 的階次 n，使計算機出現超前輸出，這將造成 D(z)在物理上無法實現。因此，廣義對象 W1(z)中的單位圓外零點和 z1因子，還必須在所設計的閉環沖傳遞函數，這將導致調整時間的延長。 最小拍無紋波 在 中的最小拍計算機控制系統設計中，系統對輸入信號的變換適應能力較差，輸出響應只保證采樣點上的偏差為零。也就是說，在最小拍計算機控制系統中，系統的輸出響應在采樣點之間有紋波存在。輸出紋波不僅會造成偏差，而且還會消耗執行機構驅動功率，增加機械磨損。 產生紋波的原因是，在零階保持器的輸入端，也就是數字控制器的輸出采樣開關后達不到相對穩定，即 u(k)值不穩定，因而使系統輸出 y(t)在采樣點之間產生波動。這樣一個波動的控制量作用在廣義對象上，系統輸出必然產生紋波。如果輸入偏差 e(k)=0，保持器的輸入脈沖序列為一恒定值，那么輸出量 y(t)就不會在非采樣點間產生紋波。由此 可知，最小拍無紋波系統除保證輸出為最小拍 外，還必須 使 Y(z)穩 定，兩者要求系統的輸出響應曲線是不同的。 最小拍無紋波數字控制器的設計原則要求：系統在典型信號的作用下，經過北京理工大學 2020 屆本科生畢業設計（論文） 26 盡可能小的節拍（一般為 1— 3 個采樣周期）后，系統應達到穩定狀態，且采樣點之間沒有紋波。 一、設計分析 根據題目要求，設計無波紋最小拍控制器。采用零階保持器的單位反饋離散系統，被控對象為 )1( 10)( ?? sssG? ，要求系統在單位斜坡輸入時，實現無波紋的小拍控制，用離散設計法設計數字控制器。 二、控制系統設計 采樣周期 T 選擇 當取采樣周期 T=ls 時，經過理論驗證，三拍后系統無波紋 ,達到無波紋輸出時 t=3s 時，滿足控制器要求。 當取采樣周期 T= 時，滿足控制器要求且三拍系統無波紋，達到無波紋輸出時 t=，但考慮到 AD